CN109309106A - 光转换的器件及其制备方法、红外成像设备 - Google Patents

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曹蔚然
杨行
杨一行
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Abstract

本发明属于显示器件领域，提供了光转换的器件及其制备方法、红外成像设备。本发明提供的光转换的器件，通过将感光部件和发光部件采取衬底上并列设置的方式进行组合，同时将感光部件设置为具有层叠设置的第二电极、第一电子传输层、吸光层、第二电子传输层的光导体结构，以此代替现有的二极管结构，这样形成的光导体结构具有高的光探测效率，使得器件具有更高的感光出光效率，同时由于器件的结构紧凑、体积小、重量轻，因而满足了器件便携式成像的要求；并且由于每个像素的结构简单、工艺难度低，使得每一个像素都适合现有的打印制备工艺，可实现大面积的复制，降低生产成本。

Description

光转换的器件及其制备方法、红外成像设备
技术领域
本发明属于显示器件领域，尤其涉及一种光转换的器件及其制备方法、红外成像设备。
背景技术
红外成像技术已经在医疗、军事、夜视、卫星以及民用等领域有着重要应用，一直是科学研究的一个热点。近几十年来，科研工作者们提出了可实现低频率的红外光到较高频的近红外或者高频率的可见光转换成像装置。
通常的红外-可见转换成像装置(或者光子能量上转换装置)是基于硅材料和光电倍增管的装置，装置的体积大，当其作为可穿戴的夜视装置时，存在耗电高、便携性差的缺点。为了改善前述的缺点，研究者开始转向于研究基于薄膜的夜视装置。其中较近期的一项改进是将感光和发光材料整合至一个像素中并用一个有增益功能的漏栅晶体管连接感光和发光部分，形成一个复杂的叠层结构。然而，这样的器件虽具有薄膜厚度、透明和外量子效率较高的特点，但由于器件结构复杂、工艺难度高，实现较大面积的复制是十分困难的。此外，感光部件通常采用二极管的器件也很难获得较高的增益。
因此，现有的红外-可见转换成像装置存在耗电高、便携性差、结构复杂、工艺难度高、生产成本高、难以实现较大面积的复制以及难以获得较高增益的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光转换的器件及其制备方法、红外成像设备，旨在解决因此，现有的红外-可见转换成像装置存在耗电高、便携性差、结构复杂、工艺难度高、生产成本高、难以实现较大面积的复制以及难以获得较高增益的问题。
本发明提供了一种光转换的器件，所述器件包括：
衬底；
设置在所述衬底上的第一电极；
设置在所述衬底和所述第一电极之间的且并列设置的感光部件和发光部件；
其中，所述感光部件和所述发光部件通过所述第一电极串联相接；所述感光部件包括叠层设置于所述衬底上的第二电极和依次层叠于所述第二电极上的第一电子传输层、吸光层、第二电子传输层。
本发明还提供了一种光转换的器件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
在衬底上形成并列设置的感光部件和发光部件；
在所述感光部件外表面形成第一电极，且所述第一电极与所述发光部件外表面电连接；
其中，所述感光部件形成方法如下：
在所述衬底上沉积第二电极，在所述第二电极上依次沉积第一电子传输层、吸光层、第二电子传输层和所述第一电极；所述第一电极是形成于所述第二电子传输层外表面上。
本发明还提供了一种红外成像设备，所述红外成像设备包括如上所述的器件或包括如上所述的制备方法制备的器件。
本发明提供的光转换的器件，通过将感光部件和发光部件采取衬底上并列、电路上背靠背串联的方式进行组合，同时将感光部件设置为具有层叠设置的第二电极、第一电子传输层、吸光层、第二电子传输层的光导体结构，以此代替现有的二极管结构，这样形成的光导体结构具有高的光探测效率，使得器件具有更高的感光出光效率，同时由于器件的结构紧凑、体积小、重量轻，因而满足了器件便携式成像的要求；并且由于每个像素的结构简单、工艺难度低，使得每一个像素都适合现有的打印制备工艺，降低成本，可实现大面积的复制。
本发明提供的光转换的器件的制备方法，由于该器件的结构简单，因而工艺难度低，操作简易，成本低，可实现大规模生产。
本发明提供的红外成像设备具有更高的感光出光效率，体积小，重量轻，满足便携式成像的要求。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的光转换的器件的结构示意图；
图2是本发明的实施例提供的光转换的器件的另一种结构示意图；
图3是本发明的实施例提供的对应图1的感光部件和发光部件组成的像素排列示意图；
图4是本发明的实施例提供的对应图1的感光部件的多层结构、能带结构及原理示意图；
图5是本发明的实施例提供的光转换的器件的另一种结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的光转换的器件的结构示意图。该光转换的器件包括：衬底1、设置在衬底1上的第一电极2、设置在衬底1和第一电极2之间的且并列设置的感光部件3和发光部件4。其中，感光部件3和发光部件4通过第一电极2串联相接；感光部件3包括叠层设置于衬底1上的第二电极301和依次层叠于第二电极上301上的第一电子传输层302、吸光层303、第二电子传输层304。
在本发明实施例中，衬底1的选用不受限制，可以采用柔性基板，也可以采用硬质基板。衬底1优选为透光性较好的玻璃基板或者柔性基板，衬底1材料对不可见波段的吸收要小，以保证进入器件的不可见光的信号强度。
在本发明实施例中，第一电极2将感光部件3和发光部件4串联相接，为了使第一电极2对不可见波段光的透过率尽可能低，以防止进入器件的不可见光信号通过第一电极2外泄而降低不可见光的信号强度，因此，第一电极2为不透明电极。而为了使发光部件4能够有效发光，第一电极2仅是覆盖发光部件4的局部区域，优选地，第一电极2仅覆盖发光部件4上表面靠近吸光部件的5％的区域。
在本发明实施例中，感光部件3和发光部件4并列设置在衬底1和第一电极2之间，感光部件3和发光部件4彼此之间独立隔开而通过第一电极2串联相接，分别用于吸收非可见波段的入射光和发射可见波段的出射光。感光部件3和发光部件4图案化分布在衬底1上，形成感光像素和发光像素的成像阵列，将非可见光转换成可见光。
在本发明实施例中，请参阅图2，感光部件3和发光部件4之间还可以设置有隔离介质层5，用于隔离划分感光部件3和发光部件4，增强图案化。图案化分布，可以为一个发光像素和一个或若干个吸光像素组合，优选地，如图3所示，可以是感光像素和发光像素以1:1的比例分布(图3中，3001代表感光像素和发光像素以1:1的比例分布的像素单元，其中，3002代表一感光像素，3003代表一发光像素)。
在本发明实施例中，感光部件3为光导体结构，包括依次层叠设置于衬底1上的第二电极301、第一电子传输层302、吸光层303、第二电子传输层304。如图4所示(其中，305为电子，306为入射光)，当感光部件3工作在光导模式下时，吸光层303产生的解离电子305通过改变肖特基势垒的宽度从而调制通过的电子305电流的大小，实现对发光部件4电流注入的控制。在无入射光时，吸光层303和第一电子传输层302及吸光层303和第二电子传输层304之间均形成肖特基势垒，电流很弱；当吸光层303吸收光子生成光电子后，肖特基势垒宽度大大降低，使原有的肖特基势垒转变成近似的欧姆接触，电流增大。
具体地，第二电极301沉积在衬底1上，第二电极301的材料可以是传统的阳极材料，优选地，可以是氧化铟锡(ITO)，其对非可见波段光的透过率能够达到80％以上，可以保证透过衬底1及ITO以后进入感光部件3的非可见光的信号强度。
具体地，第一电子传输层302沉积在第二电极301上，用于传输电子。第一电子传输层302的材料可以为传统的电子传输层材料，为了提高电子传输效率，优选地为宽带隙氧化物、硫化物、硫化物纳米材料，比如：ZnO，ZnS，TiO2等；或者为有机材料，比如菲咯啉(BPHEN)，Alq3等。
具体地，吸光层303沉积在第一电子传输层302上，用于吸收非可见波段的入射光，比如近红外波段。为了提高吸光层303的吸光效率，吸光层303的厚度优选为10nm-100nm。吸光层303具体以无机半导体量子点纳米晶作为吸光材料，优选地包括但不限于II-VI半导体纳米晶、III-V半导体纳米晶、II-V半导体纳米晶、III-VI半导体纳米晶、IV-VI半导体纳米晶、I-III-VI半导体纳米晶、II-IV-VI半导体纳米晶、IV族单质半导体发光材料中的至少一种。其中，II-VI半导体纳米晶可以是PbS、PbSe、PbTe中的至少一种；III-V半导体纳米晶可以是InAs、InGaAs中的至少一种。
具体地，第二电子传输层304沉积在吸光层303上，用于传输电子至第一电极2。第二电子传输层304的材料可以为传统的电子传输层材料，为了提高电子传输效率，优选地为宽带隙氧化物、硫化物(及其纳米材料)，比如：ZnO，ZnS，TiO2等；或者为有机材料，比如菲咯啉(BPHEN)，Alq3等。
在本发明实施例中，发光部件4用于发射可见光，包括至少一个发光单元，当发光单元为两个或者多个时，两个或者多个发光单元可以形成单层或者叠层结构。发光单元包括层叠设置于衬底1上的第三电极和依次层叠于第三电极上的空穴传输层、发光层、第三电子传输层。
如图5所示，当发光部件4仅包括一个发光单元时，发光部件4包括层叠设置于衬底1上的第三电极401和依次层叠于第三电极401上的空穴传输层402、发光层403、第三电子传输层404。
具体地，第三电极401沉积在衬底1上，第三电极401的材料可以是传统的阳极材料，优选地，可以是氧化铟锡(ITO)，其对非可见波段光的透过率能够达到80％以上，可以保证透过衬底1及ITO以后进入感光部件3的非可见光的信号强度。
具体地，空穴传输层402沉积在第三电极401上，用于传输空穴。空穴传输层402的材料可以为传统的空穴传输层402材料，优选地，可以是有机材料，如PEDOT:PSS；也可以是氧化物，如NixO，MoOx，VOx，WOx。
具体地，发光层403沉积在空穴传输层402上，用于发射可见光，比如绿光波段。为了提高发光层403的发光效率，发光层403的厚度优选为10nm-100nm。发光层403具体以无机半导体量子点纳米晶作为电致发光材料，优选地包括但不限于II-VI半导体纳米晶、III-V半导体纳米晶、II-V半导体纳米晶、III-VI半导体纳米晶、IV-VI半导体纳米晶、I-III-VI半导体纳米晶、II-IV-VI半导体纳米晶、IV族单质半导体发光材料、有机发光材料中的至少一种。其中，II-VI半导体纳米晶可以是CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdZnS、CdZnSe、CdZnSeS中的至少一种；III-V半导体纳米晶可以是GaP、GaAs、InP、InAs中的至少一种；有机发光材料包括有机荧光发光材料、有机磷光发光材料中的至少一种。
具体地，第三电子传输层404沉积在发光层403上，用于传输电子。第三电子传输层404的材料可以为传统的电子传输层材料，为了提高电子传输效率，优选地为宽带隙氧化物、硫化物(及其纳米材料)，比如：ZnO，ZnS，TiO2等；或者为有机材料，比如菲咯啉(BPHEN)，Alq3等。
本发明实施例提供的光转换的器件，通过将感光部件3和发光部件4采取衬底1上并列、电路上背靠背串联的方式进行组合，同时将感光部件3设置为具有层叠设置的第二电极301、第一电子传输层302、吸光层303、第二电子传输层304的光导体结构，以此代替现有的二极管结构，这样形成的光导体结构具有高的光探测效率，使得器件具有更高的感光出光效率，同时由于器件的结构紧凑、体积小、重量轻，因而满足了器件便携式成像的要求；并且由于每个像素的结构简单、工艺难度低，使得每一个像素都适合现有的打印制备工艺，可实现大面积的复制，且不会加大生产成本。
本发明实施例提供了一种光转换的器件的制备方法。该光转换的器件的制备方法包括以下步骤：
步骤S01：在衬底上形成并列设置的感光部件和发光部件。
步骤S02：在感光部件外表面形成第一电极，且第一电极与发光部件外表面电连接。
其中，感光部件形成方法如下：
在衬底上沉积第二电极，在第二电极上依次沉积第一电子传输层、吸光层、第二电子传输层；第一电极是形成于第二电子传输层外表面上。
发光部件的形成方法如下：
在衬底上沉积第三电极，在第三电极上依次沉积空穴传输层、发光层、第三电子传输层；第一电极是形成于第三电子传输层外表面上。
在发明实施例中，步骤S01和步骤S02中涉及的衬底、第二电极、第三电极、第一电子传输层、空穴传输层、吸光层、发光层、第二电子传输层、第三电子传输层以及第一电极的相关描述与前述实施例中对应涉及衬底1、第二电极301、第三电极401、第一电子传输层302、空穴传输层402、吸光层303、发光层403、第二电子传输层304、第三电子传输层404以及第一电极2的描述一致，在此不再描述。
在发明实施例中，步骤S01和步骤S02中涉及的沉积的方式可以是真空沉积、溶液涂布(例如喷墨打印、转印、压印)或者二者相结合。
以下以喷墨打印为例说明制备方法：
(1)提供衬底，在衬底上分别沉积感光部件和发光部件的电极，材料为ITO。
(2)在感光部件内打印第一电子传输层，材料为ZnO纳米颗粒；在发光部件内打印空穴传输层，材料为PEDOT：PSS和NiOx。
(3)在感光部件像素内打印吸光材料作为吸光层，材料为PbS纳米晶；在发光部件像素内打印发光材料作为发光层，材料为CdSe-CdS核壳结构纳米晶。
(4)分别在感光部件和发光部件内打印电子传输层材料形成第二电子传输层和第三电子传输层，材料为ZnO纳米颗粒。
(5)沉积阴极材料以连接感光部件和发光部件。
本发明实施例提供的光转换的器件的制备方法，由于该器件的结构简单，因而工艺难度低，操作简易，成本低，可实现大规模生产。
本发明实施例还提供了一种红外成像设备，包括如上所述的器件或包括如上所述的制备方法制备的器件。本发明实施例提供的红外成像设备具有更高的感光出光效率，体积小，重量轻，轻薄便携。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光转换的器件，其特征在于，所述器件包括：
衬底；
设置在所述衬底上的第一电极；
设置在所述衬底和所述第一电极之间的且并列设置的感光部件和发光部件；
其中，所述感光部件和所述发光部件通过所述第一电极串联相接；所述感光部件包括叠层设置于所述衬底上的第二电极和依次层叠于所述第二电极上的第一电子传输层、吸光层、第二电子传输层。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述发光部件包括至少一个发光单元，所述发光单元包括层叠设置于所述衬底上的第三电极和依次层叠于所述第三电极上的空穴传输层、发光层、第三电子传输层。
3.如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述第一电子传输层、所述第二电子传输层和所述第二电子传输层中的至少一传输层的传输材料为宽带隙氧化物、硫化物、硫化物纳米材料、有机材料中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述吸光层包括II-VI半导体纳米晶、III-V半导体纳米晶、II-V半导体纳米晶、III-VI半导体纳米晶、IV-VI半导体纳米晶、I-III-VI半导体纳米晶、II-IV-VI半导体纳米晶、IV族单质半导体发光材料中的至少一种。
5.如权利要求2或3所述的器件，其特征在于，所述空穴传输层的传输材料包括有机材料、氧化物中的至少一种。
6.如权利要求2或3所述的器件，其特征在于，所述发光层的发光材料包括II-VI半导体纳米晶、III-V半导体纳米晶、II-V半导体纳米晶、III-VI半导体纳米晶、IV-VI半导体纳米晶、I-III-VI半导体纳米晶、II-IV-VI半导体纳米晶、IV族单质半导体发光材料、有机发光材料中的至少一种。
7.如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述吸光层的厚度为10nm-100nm，和/或所述发光层的厚度为10nm-100nm。
8.一种光转换的器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
在衬底上形成并列设置的感光部件和发光部件；
在所述感光部件外表面形成第一电极，且所述第一电极与所述发光部件外表面电连接；
其中，所述感光部件形成方法如下：
在所述衬底上沉积第二电极，在所述第二电极上依次沉积第一电子传输层、吸光层、第二电子传输层；所述第一电极是形成于所述第二电子传输层外表面上。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述发光部件的形成方法如下：
在所述衬底上沉积第三电极，在所述第三电极上依次沉积空穴传输层、发光层、第三电子传输层。
10.一种红外成像设备，其特征在于，所述红外成像设备包括权利要求1-7任一项所述的器件或包括由权利要求8-9任一项所述的制备方法制备的器件。
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