CN109643520A - 在光电装置上产生图像的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种在光电元件阵列上产生图像的方法，其包含：(a)提供装置，其包含光电元件阵列和连接到每个光电元件的电路，其中所述光电元件包含多个量子点或多个纳米棒，且其中所述电路被配置为能够在有效正向偏压配置和有效反向偏压配置之间独立地切换各光电元件，(b)对两个或更多个所述光电元件施加有效反向偏压，(c)提供电路，所述电路将检测来自单个有效反向偏压的光电元件的光电流的开始，并且通过将所述单个光电元件上的所述偏压改变为有效正向偏压来响应所述光电流。

Description

在光电装置上产生图像的方法
一些光电装置含有两个或更多个光电元件。在一些光电装置中，一个或多个光电元件(发射元件)被配置为在施加适当的电场时发光，而其它光电元件(吸收元件)被配置为在被具有在适当波长范围的波长的光击中时产生电流。通常期望吸收元件对穿过装置外部的空间然后击中装置的光做出响应。在这种情况下，不期望发射元件发射的光沿着装置本身内的路径行进并到达吸收元件。另外，期望吸收元件在被光击中时快速做出响应以产生光电流(即，上升时间短)。
US 2014/0036168描述了一种有机发光二极管阵列，该阵列可用于光感测以及发光功能。期望提供一种改进的装置，其中来自发光二极管的光并不通过沿着完全位于装置内的路径到达吸收二极管。还期望提供具有改进的上升时间的光电装置。改进的装置期望用于各种目的，包括检测装置外部的物体；检测来自特定装置(如光笔或激光指示器)的光；以及产生与光笔或激光指示器描绘的路径相对应的图像。
以下是本发明的发明内容。
本发明的第一方面是一种包含发光的光电元件和产生光电流的光电元件的装置，其中该装置还包含不透明元件，该不透明元件防止由发光的光电元件发射的光通过装置内的路径到达产生光电流的光电元件。
本发明的第二方面是一种光电装置，其包含光电元件和连接到光电元件的电路，
其中所述光电元件包含多个量子点或多个纳米棒，且
其中所述电路被配置为能够在其中所述电路提供能使光电元件发光的有效正向偏压的一个配置和其中所述电路提供当光电元件敏感的光击中光电元件时使光电元件能够产生光电流的有效的反向偏压的另一个配置之间切换光电元件。
本发明的第三方面是一种检测光电装置附近的物体的存在的方法，包含：
(a)提供一种光电装置，其包含发光的光电元件和产生光电流的光电元件，
其中所述装置被配置为使得由所述发光的光电元件发射的某一光离开光电装置，
其中所述装置被配置为使得离开光电装置并且被外部物体散射或反射的由发光的光电元件发射的光可击中产生光电流的光电元件，
(b)在发光的光电元件上施加有效的正向偏压，并且在产生光电流的光电元件上施加有效的反向偏压，
(c)使能够散射或反射或能够散射且反射光的物体与光电装置表面上光出现的点相距0.1至5mm，使由发光的光电元件发射的光被反射或散射，从而使得光落在产生光电流的光电元件上。
本发明的第四方面是一种检测光电装置附近的物体的存在的方法，其包含：
(a)在光电装置外部产生的外部光落在光电装置上的环境中，提供一种光电装置，该光电装置包含产生光电流的光电元件，
(b)在产生光电流的光电元件上施加有效的反向偏压，其中具有合适波长和足够强度的外部光使产生光电流的光电元件产生光电流，以及
(c)使不透明物体与光电装置表面上的点相距0.1至5mm，使不透明物体阻挡足够的外部光线，从而使得由产生光电流的光电元件产生的光电流出现可检测的减少。
本发明的第五方面是一种在光电元件阵列上产生图像的方法，其包含：
(a)提供一种装置，其包含光电元件阵列和连接到每个光电元件的电路，
其中所述光电元件包含多个量子点或多个纳米棒，且
其中所述电路被配置为能够在其中所述电路提供能使光电元件发光的有效正向偏压的一个配置和其中所述电路提供当光电元件敏感的光击中光电元件时使光电元件能够产生光电流的有效反向偏压的另一个配置之间独立地切换各个光电元件，
(b)对两个或更多个所述光电元件施加有效反向偏压，
(c)提供电路，所述电路将检测来自各个有效反向偏压光电元件的光电流的开始，并且通过将各个所述光电元件上的所述偏压改变为有效正向偏压来响应所述光电流。
以下是附图的简要说明。图1是光电元件的示意图，其可以是发光的光电元件(“LEOE”)或产生光电流的光电元件(“PGOE”)。图2是光电元件的一个实施例的示意图。图3示出了具有两个相邻光电元件的装置的一个实施例，其示出了装置内的一些可能的光路。图4示出了外部物体及具有不透明元件外部物体的装置的一个实施例。图5示出了外部物体和具有不透明元件的装置的另一个实施例。图6和7示出了不透明元件的实施例的两个视图，该不透明元件可以用在含有光电元件阵列的装置中。图8是纳米棒的示意图。图9是核/壳量子点的示意图。图10示出了由实例3中描述的装置产生的光电流，实例3展示了外部物体的检测。图11A至图11E示出了用于构建在以下实例中描述的光电元件4×4阵列的步骤。
以下为本发明的具体实施方式。
除非上下文另外清楚地指示，否则如本文所用的以下术语都具有指定定义。
“吸收层”和类似术语是位于电极(阳极和阴极)之间的层，并且当暴露于具有适当波长的光时将产生空穴和电子，如果存在适当的有效反向偏压电场，该空穴和电子相互分离以形成电流。
“有源层”和类似术语是位于电极(阳极和阴极)之间的层。有源层可以是吸收层或发射层，或能够根据偏压充当吸收层或发射层的层。
“阳极”将空穴注入位于发射层侧上的层中，如空穴注入层、空穴传输层或发射层。阳极设置在衬底上。阳极典型地由金属、金属氧化物、金属卤化物、导电聚合物以及其组合制得。
每个有源层通过带隙来表征。发射层的带隙通过将光电元件置于有效正向偏压下并测量随着光频率的变化而变化的发射光的强度来表征。对应于发射光的最大强度的光频率在本文中被称为νe，并且νe表征发射层的带隙。光电流产生层的带隙通过将光电元件置于有效反向偏压下、使光电元件暴露于不同频率的光并测量随着光频率的变化而变化的光电流来表征。对应于最大光电流的光频率在本文中被称为光电流产生层的特征响应频率νd，并且νd表征光电流产生层的带隙。
“阴极”将电子注入位于发射层侧上的层(即，电子注入层、电子传输层或发射层)中。阴极通常由金属、金属氧化物、金属卤化物、导电聚合物以及其组合制得。
“有效正向偏压”是施加到光电元件的阳极和阴极的电压。“正向偏压”意指施加到阳极的电压相对于施加到阴极的电压是正的。当电压具有足以使光电元件发光的量值时，正向偏压是“有效的”。
“有效反向偏压”是施加到光电元件的阳极和阴极的电压。有效反向偏压允许光电元件在光电元件被其敏感的光击中时产生光电流。通常，绝对反向偏压意指施加到阳极的电压相对于施加到阴极的电压是负的。大多数产生光电流的光电元件在处于反向偏压的情况下或在存在零偏压的情况下如果被它们敏感的光击中，能够产生光电流。许多产生光电流的光电元件在处于具有相对较小的量值的正向偏压的情况下如果被它们敏感的光被击中，也能够产生光电流。因此，对于许多光电元件而言，有效反向偏压是落在从小量值的正向偏压到零电压以及到中间量值的绝对反向偏压的范围内的电压。
“电子注入层”或“EIL”和类似术语是在有效正向偏压下的光电元件中有效地将从阴极注入的电子注入电子传输层的层。一些光电元件具有EIL，而一些不具有EIL。
“电子传输层”或“ETL”和类似术语是设置于有源层与电子注入层之间的层。当置于有效正向偏压电场中时，电子传输层将从阴极注入的电子传输到发光层。ETL的材料或组合物通常具有高电子迁移率以有效地传输注入的电子。ETL通常也会阻碍空穴的通过。
“电子伏特”或“eV”是单个电子的电荷移过一伏特的电势差而获得(或损失)的能量的量。
“发射层”和类似术语是位于电极(阳极与阴极)之间的层，并且当置于有效正向偏压电场中时被从阳极注射经过空穴注入层的空穴与从阴极注射经过电子传输层的电子的重组激发，发射层是主要发光源。
如本文所用，“外部光”是源自本发明的光电装置外部的光。
F4TCNQ是2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰基-对-醌二甲烷。
如本文所用，“异质结”是两个不同半导体之间的界面的表面。
“空穴注入层”或“HIL”和类似术语是在处于有效反向偏压的光电元件中有效地将从阳极注入的空穴注入空穴传输层的层。一些光电元件具有HIL，而一些不具有HIL。
“空穴传输层”(或“HTL”)和类似术语是指由传输空穴的材料制得的层。期望具有高空穴迁移率。HTL用于帮助阻挡由发射层传输的电子的传递。通常需要小的电子亲和性来阻挡电子。HTL应合乎需要地具有较大的三重态以阻挡来自相邻EML层的激子迁移。
如本文所用，“纳米棒”(NR)是具有第一轴的物品。纳米棒在第一轴上具有旋转对称性。纳米棒在第一轴方向上的长度(“轴向长度”)与纳米棒在垂直于第一轴的任何方向上的长度之比为2:1或更大。纳米棒的轴向长度为200nm或更小。纳米棒含有两种或更多种不同的半导体。“双异质结纳米棒(DHNR)是具有两个或更多个不同异质结的纳米棒。
如本文所用的术语“不透明”是指在可见光谱中透射1％或更少的光能的物品。不透明物品可以防止光通过任何机制透射，包括吸收、散射、反射或其组合。
如本文所用，“光电元件”是作为发光的光电元件(也称为发光二极管(LED))或产生光电流的光电元件(也称为光电二极管(PD))的物品。LED是在施加适当电压(“有效正向偏压”)时发光的物品。PD是当施加适当电压(“有效反向偏压”)时具有PD敏感的波长的光击中PD时将产生电流的物品。一些物品能够在有效正向偏压下发光，并且也能够在施加反向电压时如果被具有某些波长的光击中，产生光电流。也就是说，一些物品取决于所施加的电压而可以用作LED或PD。具有施加的有效正向偏压并且正在发光的光电元件在本文中被称为处于“发光模式”或“LED模式”。具有施加的有效反向偏压并且当被具有光电元件敏感的波长的光击中时能够产生光电流的光电元件在本文中被称为处于“检测模式”或“PD模式”。
PEDOT:PSS是聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)和聚苯乙烯磺酸盐的混合物。
如本文所用，“有机”化合物是含有一个或多个碳原子的化合物。术语“有机化合物”不包括以下：具有除氢以外的任何元素的碳的二元化合物；金属氰化物；金属羰基化合物、光气、羰基硫化物和金属碳酸盐。非有机化合物是无机的。纯元素在本文中被认为是无机化合物。
如本文所用，“量子点”(QD)是具有1到25nm的直径的物品。量子点含有一种或多种无机半导体。
“衬底”是有机发光装置的支撑件。适用于衬底的材料的非限制性实例包括石英板、玻璃板、金属板、金属箔、来自聚合树脂(如聚酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯以及聚砜)的塑料膜。
TFB是聚(9,9-二正辛基芴-alt-(1,4-亚苯基-((4-仲丁基苯基)亚氨基)-1,4-亚苯基。
图1示出了光电元件的示意图。这些层彼此接触，如图1所示。透明层1可以是任何透明材料。优选的透明材料是玻璃。透明材料通常被称为“衬底”，因为构造光电元件的优选方法是从玻璃层开始，然后依次施加其它层。阳极层2优选地也是透明的。用于阳极层2的优选材料是氧化铟锡(ITO)。有源层3含有当经受适当的“正向”偏压时能够发光的材料，或当暴露于具有适当波长的光并且当经受适当的“反向”偏压时能够产生光电流的材料，或能够根据偏压发光或产生光电流的材料。偏压由电压源或电路5施加。阴极层4优选地为金属。当需要操作光电元件时，电压源或电路5可选地通过导线6连接到阳极层和阴极层。电压源6和光电元件之间的连接可以可选地由开关或开关电路(未示出)建立和/或中断。图1中所示的电路优选地包含电流感测装置20，其可以位于电路中的任何点处。
当需要在光电元件上提供有效正向偏压时，电压源或电路向阳极2和阴极4施加电压，使得施加到阳极2的电压相对于施加到阴极4的电压为正。施加电压的量值至少大到足以使有源层3发光。有效正向偏压施加电压的通常量值为1至10伏。
当需要在光电元件上提供有效反向偏压时，电压源或电路向阳极2和阴极4施加电压，使得施加到阳极2的电压相对于施加到阴极4的电压为负。施加电压的量值至少大到足以使当有源层3敏感的光落在有源层3上时产生光电流。施加电压的量值保持足够低以避免有源材料中的击穿和由击穿引起的恒定电流。用于有效反向偏压的施加电压的通常量值是-0.1到10伏(即，从具有0.1伏量值的小正向偏压到零伏、到具有10伏量值的绝对反向偏压)。当光电流产生时，优选地由电流检测器20检测，电流检测器20可选地连接到另外的处理电路(未示出)。
在一些实施例中，电压源或电路5含有能够向光电元件施加有效正向偏压或有效反向偏压的控制电路。在一些实施例中，控制电路将偏压从正向翻转到反向和/或从反向翻转到正向；上述翻转可以通过例如时间序列或通过对源自光电装置外部或源自控制电路内的刺激的响应来控制。
图2示出了光电元件的一个实施例的示意图。在图2中，有源层含有空穴注入层(HIL)31、空穴传输层(HTL)32、有源层33和电子注入层(EIL)34。可选地，光电元件还可以含有附加层，包括例如以下中的一个或多个：与HIL 31相邻的一个或多个附加HIL；和/或与发射或吸收层相邻并与电子传输层(EIL)相邻的一个或多个ETL。
发射或吸收层33可以是任何有源光电材料。例如，发射或吸收层33可含有两个或更多个掺杂或未掺杂的无机半导体以形成一个或多个异质结；无机半导体可以分层布置或以多个颗粒的形式布置。优选地，发射或吸收层33含有多个无机颗粒，每个无机颗粒含有一个或多个异质结。优选地，多个无机颗粒是量子点或纳米棒。又例如，发射或吸收层33可含有电致发光有机分子或两种或更多种有机分子的共混物。
在量子点当中，优选的是含有II-VI族材料、III-V族材料、IV族材料、V族材料或其组合的那些量子点。量子点优选地包括例如选自CdS、CdSe，CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、HgS、HgSe、HgTe、GaN、GaP、GaAs、InP和InAs中的一种或多种。优选地，量子点包括两种或更多种上述材料。举例来说，化合物可包括以简单混合状态存在的两个或更多个量子点，其中两个或更多个化合物晶体部分分布在相同晶体中的混合晶体，例如具有芯-壳结构或梯度结构的晶体，或包括两种或更多种纳米晶体的化合物。优选地，量子点具有包裹的结构，其具有核和包裹核的一个或多个壳，其中核的组成不同于壳的组成。在这类实施例中，核优选地包括选自CdSe、CdS，ZnS、ZnSe、CdTe、CdSeTe、CdZnS、PbSe、AgInZnS和ZnO中的一种或多种材料。壳优选地包括选自CdSe、ZnSe、ZnS、ZnTe、CdTe、PbS、TiO、SrSe和HgSe中的一种或多种材料。在一些实施例中，量子点含有核、围绕核的第一壳和围绕第一壳的第二壳。当存在时，第二壳优选地包括选自Cds、CdSe、ZnSe、ZnS、ZnTe、CdTe、PbS、TiO、SrSe、HgSe、II-IV族合金；更优选地选自Cds、CdSe、ZnSe、ZnS、ZnTe、CdTe、PbS、TiO、SrSe和HgSe中的一种或多种材料。当存在第二壳时，优选地，核、第一壳和第二壳具有三种不同的组成。在一些实施例中，量子点可包含例如Mn、Cu和Ag的掺杂元素的一个或多个原子。在这种情况下，掺杂原子可位于核中，或在量子点的第一壳内。
优选的量子点具有连接到外表面上的有机配体。优选的配体含有烃链，优选地具有8到25个碳原子的烃链。配体优选地通过包含除碳和氢之外的原子的化学基团(例如羧基)连接到无机半导体的最外表面。
量子点的优选实施例如图9所示。无机半导体核902被不同的无机半导体901包围。有机配体分子903连接到最外壳半导体901的表面上。
在纳米棒中，纳米棒的轴向长度与在垂直于第一轴的任何方向上纳米棒的长度之比为2:1或更大；优选地为5:1或更大；更优选地为10:1或更大。纳米棒的轴向长度为200nm或更小；优选地为150nm或更小；更优选地为100nm或更小。纳米棒含有两种或更多种不同的半导体。优选的纳米棒包含圆柱形棒，其在每个端部设置与圆柱形棒接触的单个端帽或多个端帽。圆柱形棒的给定端部处的端帽也彼此接触。端帽优选地用作钝化一维纳米颗粒。优选地，在圆柱形棒的每个端部处，纳米棒含有第一端帽和部分地或完全地围绕第一端帽的第二端帽。第一端帽和第二端帽优选地具有彼此不同的组成。优选地，每个端帽含有一种或更多种半导体。优选地，圆柱形棒含有半导体。优选地，圆柱形棒的组成与第一端帽的组合物和第二端帽的组成都不同。纳米棒优选地包含包括以下那些材料的半导体：第II-VI族(ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdTe、HgS、HgSe、HgTe等)、第III-V族(GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlAs、AlP、AlSb等)、第IV族(Ge、Si、Pb等)材料及其合金或其混合物。
优选的纳米棒如图8所示。纳米棒1100包含圆柱形棒1102，其具有第一端部1104和第二端部1106。第一端帽1108设置在圆柱棒的第一端部1104和第二端部1106处并直接接触圆柱棒1102。第一端帽1108和圆柱形棒的第一端部1104之间的界面形成第一异质结1103。优选地，第一端帽1108接触圆柱形棒1102的端部并且不接触圆柱形棒1102的纵向部分。优选地，第一端帽108并不围绕整个圆柱形棒1102。
第二端帽1110在圆柱形棒1102的一个端部或两个端部处接触第一端帽1108并围绕第一端帽1108。第二端帽1110可以部分地或完全地围绕第一端帽1108。优选地，第二端帽1110并不围绕整个圆柱形棒1102。
第二端帽1110和第一端帽1108之间的界面形成第二异质结1109。因此，图8中的纳米棒1100是双异质结纳米颗粒。在更多端帽设置在第二端帽1110上的情况下，纳米颗粒1100将具有多于2个异质结。在示例性实施例中，纳米颗粒1100可具有3个或更多个异质结，优选地4个或更多个异质结，或优选地5个或更多个异质结。
优选地，圆柱形棒接触第一端帽的异质结具有I型或准II型带对准。优选地，第二端帽接触第一端帽的点具有I型或准II型带对准。
图3示出了含有多个光电元件的光电装置的示意性横截面。这种装置可选地含有超过两个光电元件。优选地，该装置含有多个光电元件的平面阵列。例如，可以存在附加的光电元件，在图3的图的平面中布置成一行，并且那些光电元件中的每一个可以是垂直于图3的图的平面的一行光电元件的一部分。
在图3中，一个光电元件含有阴极401、EIL 3401、发射层3301、HTL 32、HIL 31、阳极201和透明层1。发射层3301被标记为“发射”，以表示已经将有效正向偏压施加到阴极401和阳极201，以使发射层发光。有效正向偏压由图3中未示出的电路提供。在图3中，另一个光电元件包含阴极402、EIL 3402、吸收层3302、HTL 32、HIL 31、阳极202和透明层1。吸收层3302被标记为“吸收”，以表示已经将有效反向偏压施加到阴极402和阳极202，以使吸收层吸收光并产生光电流。有效反向偏压由图3中未示出的电路提供。
图3中还示出了可能的路径8和9，可以预期的是，光可以在装置内从发射层行进到吸收层。路径9被认为位于装置内，因为光电元件之间的距离优选地较小(小于1mm)，因此外部物体不太可能存在于发射层3301和吸收层3302之间的间隙中。三条路径7示出了从装置出来的光。
图4示出了类似于图3所示的光电装置的实施例，除了在图4所示的实施例中，每对相邻的光电元件通过不透明元件10而与其相邻的光电元件分开。如图4所示，在该实施例中，HTL被分成用于发光的光电元件的HTL 3205和用于产生光电流的光电元件的HTL 3204。同样如图4所示，在该实施例中，HIL被分成用于发光的光电元件的HIL 3105和用于产生光电流的光电元件的HIL 3104。
不透明元件10可以由任何不透明材料制成。一些合适的材料是聚合物，可选地含有一种或多种填料，例如炭黑。在合适的材料上是KAPTONTM B聚酰亚胺黑膜(来自杜邦公司(DuPont))。
图4中还示出了光可以从发射层到达装置外部的大气的路径14。图4描绘了这样的情况，其中位于装置外部的外部物体21反射或散射光，并且其中一些光通过路径15返回到装置，在那里它击中吸收层，作为响应，吸收层产生了光电流。可以认为不透明元件10阻挡光沿着装置内的路径从发射层行进到吸收层。
图5示出了类似于图3中所示的光电装置。在图5所示的装置中，透明层1已被分别位于吸收层和发射层上方的透明物品105和106以及在透明物品105和106之间的不透明元件11替代。在优选实施例中，图5描绘了两个光电元件，它们是光电元件的平面阵列的一部分，如上面针对图3所述。在这种实施例中，优选地，不透明元件11是用不透明层覆盖阵列的物品。不透明元件11的这种实施例在图6中以俯视图示出，在图7中以斜视图示出。不透明元件11具有通孔107、108、109和110，每个通孔优选地位于发射层或吸收层上方。通孔107、108、109和110可以没有任何固体材料，或者可以含有一种或多种透明固体。
适合于图5中的不透明元件11的材料与图4中的不透明元件10的材料相同。
可以设想，在图5所示装置的一些实施例的操作中，类似于图3中的路径9的光路(图5中未示出)并未携带强度足以使由吸收层3302产生显著光电流的光。可以预期在这样的实施例中，本发明的益处将因为不透明元件11的存在而获得，并且将不需要另外的不透明元件。
本发明的光电装置可用于各种目的。优选地，形成平面阵列的光电元件。这种阵列可用作显示屏的一部分，例如用于计算机或智能手机的显示屏。
当投入使用时，光电装置连接到为每个光电元件提供偏压的电路。在一些实施例中，一些光电元件处于有效正向偏压下，而其它光电元件处于有效反向偏压下，并且每个光电元件在使用该装置的任务期间保持其偏压。在其它实施例中，每个光电元件被置于偏压下，并且一个或多个元件上的所述偏压可以由操作人员改变或者在电路响应于某些刺激时自动改变，所述刺激例如定时器或光线落在有效反向偏压的光电元件上并产生光电流。
在一些实施例中，将一个或多个光电元件置于偏压下，该偏压在有效正向偏压和有效反向偏压之间连续地来回切换。优选地，频繁地进行切换，使得人眼不会察觉到光电元件在交替地发射并且变暗；优选地，人眼能察觉到光电元件在连续发射。优选的切换速率为20Hz或更快；更优选地50Hz或更快；更优选地100Hz或更快；更优选地200Hz或更快；更优选地500Hz或更快。在这种实施例中，单个光电元件既可以在发射时用作显示元件，也可以在不发射时用作入射光的检测器，并且人类观察者会察觉到该元件同时执行这两种功能。
用于本发明的光电装置的一个优选用途是用于检测在装置外部但在装置附近的物体的存在。例如，这种功能适用于检测手指或诸如输入笔之类的其它物体的存在以在触摸屏上的特定位置处发出“触摸”信号。如图4所描绘，触摸屏优选地含有光电元件阵列，其中一些光电元件进行有效正向偏压以发光，而其它光电元件进行有效反向偏压。控制电路选择将哪些光电元件置于有效正向偏压中并发光。例如，布置成“按钮”形状的光电元件可进行有效正向偏压以发光，从而作为按钮呈现给观察者。靠近且非常接近发光的光电元件处，优选地存在处于有效反向偏压的光电元件。
使用本发明的光电装置检测外部物体的一种方法是“反射”方法。在反射方法中，当外部物体21(例如，输入笔、手指或人手的某一其它部分)接近该装置时，如果外部物体足够接近，由有效正向偏压的元件发射的光从外部物体反射或散射并返回以击中一个或多个有效反向偏压的元件。然后，有效反向偏压的元件产生光电流，其由电流检测电路检测，并且计算机或智能电话对“按钮”上的“触摸”做出响应。在检测外部物体的反射方法中，可以设想，在被外部物体反射或散射之后，由一个或多个有效正向偏压的元件发射的光可以由一个或多个有效反向偏压元件检测，并且在理想情况下，由两个或更多个反向偏压元件检测。
当使用检测外部物体的反射方法时，优选地，光电装置包括如本发明第一方面所述的不透明元件。外部物体的实例包括手指、人手的其它部分、手臂、输入笔、机械臂和模板。
可以设想，检测外部物体的反射方法的优点是外部物体不需要与光电装置物理接触。优选地，本发明的装置被配置成使得当外部物体与装置相距0.1mm至5mm时，外部物体将来自装置的光散射或反射回到装置中。
使用本发明的光电装置的另一种方法是“阴影”方法。在阴影方法中，光电装置在具有相对明亮的外部照明的环境中操作。外部照明将包括光电装置中的光电流产生元件敏感的光波长。外部光将足够强，使得处于光电装置中并且处于检测模式的光电元件将产生光电流。在这样的条件下，阵列中的许多光电元件将处于检测模式并将连续检测光电流。当外部物体接近光电装置的表面时，物体将在光电装置的表面上投射阴影。当阴影在检测模式下落在光电元件上时，来自该光电元件的光电流将下降，并且光电流的下降可以由连接到光电装置的电路检测。当发生这种下降时，电路可以做出响应。例如，当光电流的下降发生在靠近“按钮”的一个或多个光电元件中时，计算机或智能电话可以做出响应，就好像“敲击”了按钮一样。
可以设想，检测外部物体的阴影方法的优点是外部物体不需要与光电装置物理接触。优选地，本发明的装置被配置成使得当外部物体与装置相距0.1mm至5mm时，外部物体将阻挡足够的环境光以使光电装置检测到一个或多个光电元件中的光电流的下降。
可以通过本发明的各种实施例来实现对外部物体的检测。例如，在均质布置中，装置的发射元件和吸收元件可以彼此相同，唯一的区别在于偏压。这种均质实施例具有制造简单的优点。或者，在非均质布置中，具有相对大的带隙的一些光电元件可以用作发射元件，而一些带隙稍小的光电元件可以用作检测元件。光电元件通常在有效正向偏压下具有发射光的峰值波长，该峰值波长稍微短于其在有效反向偏压下最敏感的光的波长。因此，可以设计非均质布置以使发射光的峰值波长与检测元件的最高灵敏度的波长相匹配。
检测外部物体的另一实施例是其中光电装置含有多个相同的光电元件的实施例，所述光电元件包括多个有效正向偏压的光电元件和多个有效反向偏压的元件。由有效正向偏压的光电元件发射的光可以被外部物体反射或散射，并且反射或散射的光可以被一个或多个有效反向偏压的光电元件检测到。
本发明的装置的另一个优选用途是用于检测特定光源，例如激光器或发光二极管(LED)。特定光源可以是手持式光源，例如激光指示器、手持式LED、灯棒、具有照明尖端的输入笔、玩具光枪、照明棒或照明手套。任何特定光源将具有发射光强度相对于光学频率的发射光谱。给出由所述特定光源发射的最大光强度的光学频率是νs，其为特定光源的特征频率。
本发明的光电装置中的光电元件可以在其组成或检测电路方面进行配置，以响应于特定光源。检测光电元件可以通过任何方式区分其它光源，例如环境照明，所述方式包括例如强度、颜色、偏振或其组合。当特定光源击中检测光电元件时，相关电路可以例如将已经被特定光源击中的检测元件从有效反向偏压切换到有效正向偏压，从而将该元件从检测模式切换到发射模式。然后阵列将从特定光源击中的那些特定元件发射光。因此，人可以通过在屏幕上移动激光指示器而远距离地在屏幕上绘图，并且这个人的手势将变成在屏幕上显示的图像。通过使得与特定光源所击中的光电元件非常接近的光电元件切换到发射模式的电路可以获得相同的效果，无论被特定光源击中的光电元件有没有也切换到发射模式。
优选地，所述特定光源的特征光学频率νs比在光电装置中的有效反向偏压的光电元件的特征光学频率νd高。
以下是本发明的实例。
测试方法如下。
响应性测量如下。具有1mm半径和532nm波长的激光通过光学衰减器入射，以使光强度从10μW变化到100mW。使用积分球光电二极管功率传感器(索雷博公司(Thorlabs)，S140)校准入射光的光学功率。使用源表(吉时利公司(Keithley)，2602)获得I-V特征。
光谱响应测量如下。通过数字锁定放大器(斯坦福研究系统(Stanford ResearchSystems)，SR830)测量不同波长处的光电流，其中单色照射由通过单色器(Jobin YvonHoriba，FluoroMax-3)的氙灯提供。通过源表对LR-LED装置施加0V或-2V的偏压，并且在约100Hz下机械切断照射。使用校准的Si光电检测器(Newport 71650)校准每个波长下的照射强度。
使用与源表(Keithley，2602)耦合的光谱辐射计(Spectrascan，PR-655)记录LED特征。EQE计算为发射的光子数与注入的电子数之比。电流和功率效率分别作为输出亮度与驱动电流密度的比率和光通量输出与驱动电功率的比率获得。所有装置测量均在空气中进行。
通过经由在具有DHNR作为有源材料的光电二极管上以频率f操作的振幅调制器照射激活激光来测量时间频率响应。由DHNR-PD产生的光电流由与调制器协调的锁定放大器检测。光电流信号强度作为调制器频率的函数进行测量。光电流信号在10Hz至1000Hz的调制器频率范围内大致恒定。当调制器频率增加到1000Hz以上时，光电流信号增加大约5dB，然后，随着频率继续增加，光电流信号急剧下降。将光电流下降到比在10Hz下获得的信号低3dB(即，观察到的光电流下降到等于或小于10Hz下的光电流值的0.707倍)时的调制器频率标记为f3db。PD的响应时间是1/f3db。使用两种不同波长的激活激光：730nm和400nm。
制备实例1：量子点合成：
反应用标准舒伦克技术(Schlenk line)在N2气氛下进行。工业级三辛基氧化膦(TOPO)(90％)、工业级三辛基膦(TOP)(90％)、工业级辛胺(OA)(90％)、工业级三辛胺(TOA)(90％)、工业级十八烯(ODE)(90％)、CdO(99.5％)、乙酸锌(99.99％)、S粉末(99.998％)和Se粉末(99.99％)从西格玛奥德里奇(Sigma Aldrich)获得。ACS级氯仿和甲醇从赛默飞世尔科技(Fischer Scientific)获得。所有化学品均按原样使用。
红色量子点的合成
以类似于以下已建立的方法的方式制备红色CdSe/CdS/ZnS[Lim,J.等人《高发光纳米晶的制备及其在发光二极管中的应用(Preparation of highly luminescentnanocrystals and their application to light-emitting diodes)》.《先进材料(Adv.Mater.)》19,1927–1932,2007].在一个200ml三颈圆底烧瓶中，将1.6mmol的CdO粉末(0.206g)、6.4mmol的OA和40mL的TOA在150℃下真空脱气30分钟。然后，在N2气氛下将溶液加热至300℃。在300℃下，将预先在手套箱中制备的0.4mL的1.0M TOP:Se迅速注入含有Cd的反应混合物中。45秒后，1.2mmol的溶解于6ml的TOA的正辛硫醇以1mL min-1的速率缓慢地通过注射泵注入。然后在300℃下，将反应混合物再搅拌30分钟同时，在另一个含有乙酸锌的反应烧瓶中制备溶解在TOA中的16ml的0.25M油酸锌溶液。将油酸锌溶液缓慢注入CdSe反应烧瓶中，然后以1mL min-1的速率使用注射泵注入溶解在6ml TOA中的6.4mmol正辛硫醇。
绿色量子点的合成
以类似于以下已建立的方法的方式制备绿色CdSe/ZnS(梯度组合物壳)量子点。[Bae,W.等人《基于具有化学成分梯度的CdSe/ZnS量子点的高效绿色发光二极管(HighlyEfficient Green-Light-Emitting Diodes Based on CdSe/ZnS Quantum Dots with aChemical-Composition Gradient)》，《先进材料(Adv.Mater.)》21,1690-1694,2009]在100ml三颈圆底烧瓶中，制备0.2mmol的CdO、4mmol的乙酸锌、4mmol的OA和15ml的ODE，在120℃下真空脱气30分钟。在N2气氛下将溶液加热至300℃。在300℃下，使用注射器将溶解在2ml TOP中的0.1mmol Se和3.5mmol的Se迅速注入反应烧瓶中。然后在300℃下将反应溶液再搅拌10分钟，然后再用空气喷射迅速冷却。
制备实例2：双向筛网制造
对于旋涂QD LED/光电检测器(PD)，装置是在ITO涂覆的玻璃衬底上制造的(薄层电阻为15～25Ω/□)。用丙酮和异丙醇连续清洗预先形成图案的ITO衬底，然后用UV-臭氧处理15分钟。将PEDOT:PSS(CleviosTM P VP AI 4083)以4000rpm旋涂到ITO上，并在120℃下在空气中烘烤5分钟，在手套箱中在180℃下烘烤15分钟。然后是TFB(H.W.金沙公司(H.W.Sands Corp.))使用间二甲苯(5mg/ml)以3000rpm旋涂，然后在手套箱中在180℃下烘烤30分钟。用氯仿和甲醇混合物(体积比1:1)洗涤两次后，最后将QD分散在氯仿溶液(～30mg/ml)中，并以2000rpm在TFB层上旋涂，然后在180℃下退火30分钟。
以3000rpm旋涂ZnO(在丁醇中的ZnO 30mg/ml)并在100℃下退火30分钟。ZnO纳米颗粒是按照文献[《材料化学杂志化学18,1889–1894(2008)]进行合成。简而言之，将氢氧化钾(1.48g)的甲醇(65ml)溶液加入到乙酸锌二水合物(2.95g)的甲醇(125ml)溶液中，并在60℃下将反应混合物搅拌2小时。然后将混合物冷却至室温，用甲醇洗涤沉淀物两次。在ETL旋涂之后，通过电子束蒸发器以的速率沉积100nm厚的Al阴极。使用碳带(TEDPella，INC)将QD LED和QD PD的最终产物组合在一起(图3)。由于碳带被放置在QD LED和QDPD的界面上，所以绿光不能通过透明玻璃衬底从绿色QD LED传输到红色QD PD。
实例3：使用实例2的双向屏幕检测外部物体的演示。
图10示出了实验结果。该图示出了红色QD PD中的暗电流。在步骤1中，仅在红色QD像素上施加有效反向偏压以只打开红色QD PD。在-2V下，红色QD PD具有约4微安的电流。在步骤2中，在绿色QD像素上施加有效正向偏压以打开绿色QD LED。由于QD像素是光学隔离的，因此红色QD PD具有与步骤1中相同的4微安电流。在步骤3中，将4英寸硅晶片放置在双向触摸屏前方5mm处。此时，红色PD中的电流为大了8倍的30微安。这是因为来自绿色QD LED的绿光从硅晶片的表面反射并碰撞红色QD PD，从而使其电流出现额外增加。总之，双向触摸屏能够检测到位于其前方5mm处的硅晶片。
还测试了其中不存在不透明元件的比较装置。当绿色QD LED发光时，即使没有外部物体，红色QD PD也会产生光电流。当存在外部物体时，来自红色QD PD的光电流并不显著大于没有外部物体时的光电流。可以认为，在比较装置中，来自绿色QD LED的大量光通过一个或多个直接路径(即，不需要从外部物体反射或散射的路径)到达红色QD PD。
在黑暗中进行装置测量以排除外部光源的影响。
制备实例4：纳米棒的合成
CdS纳米棒(NR)种子的合成：首先，将在50mL三颈圆底烧瓶中的2.0g的三辛基氧化膦(TOPO)、0.67g的十八烷基膦酸(ODPA)和0.128g的CdO在150℃下真空脱气30分钟，然后在Ar下加热至370℃。在370℃下形成Cd-ODPA复合物后，用注射器将溶解在1.5mL三辛基膦(TOP)中的16mg S迅速添加到烧瓶中。从而将反应混合物骤冷至330℃，在330℃下进行CdS生长。15分钟后，通过冷却至室温终止CdS NR生长。将最终溶液溶解在氯仿中并以2000rpm离心。将沉淀物重新溶解在氯仿中，然后制备成用于下一步骤的溶液。当稀释100倍时，该CdS NR溶液在CdS带边吸收峰处具有0.1(对于1cm光程长度)的光密度。
CdS/CdSe纳米棒异质结构(NRH)种子的合成。在形成CdS NR和将反应混合物从330℃冷却至250℃之后，在250℃下通过注射泵以4ml/h的速度缓慢加入溶解于1.0mL TOP的20mg的Se(总注射时间～15min)。然后在250℃下将反应混合物再搅拌10分钟，然后快速冷却至室温。将最终溶液溶解在氯仿中，并以2000rpm离心。将沉淀物重新溶解在氯仿中，然后制备成用于下一步骤的溶液。当稀释100倍时，该CdS/CdSe NRH溶液在CdS带边缘吸收峰处具有0.1(对于1cm光程长度)的光密度。
CdS/CdSe/ZnSe双异质结纳米棒(DHNR)的合成。通过将ZnSe生长到CdS/CdSe纳米棒异质结构上来合成CdS/CdSe/ZnSe DHNR。对于Zn前体，将6mL的十八烯、1.13g(4mmol)的油酸和0.18g(1.0mmol)的乙酸锌在150℃下脱气30分钟。将混合物在N2气氛下加热至250℃，从而在1个小时后形成油酸锌。然后，在冷却至50℃后，将2mL预先制备的CdS/CdSe储备溶液注入到油酸锌溶液中。使氯仿在70℃下真空蒸发30分钟。ZnSe的生长通过在从180℃加热至300℃期间，将含有溶解在1.0ml TOP的18.5mg(0.25mmol)Se的Se前体缓慢注射到反应混合物中来开始。CdS/CdSe纳米棒异质结构上的ZnSe厚度由注入的Se量控制。在注入所需量的Se前体后，通过除去加热套来终止ZnSe生长。得到的纳米棒具有图8中所描绘的结构。
包含纳米棒的各个光电元件构建成具有以下层：玻璃；ITO；PEDOT:PSS混合物；TFB:F4TCNQ混合物；NR层；ZnO；铝。
实例5：光电元件的特征
如上所述确定各个光电元件的特征。在下表中，包含纳米棒的单个光电元件被称为“NR-LED”，并且包含量子点的单个光电元件被称为“QD-LED”。根据发表在以下参考出版物中的结果，将NR-LED和QD-LED与不同的其中吸收/发射材料是有机化合物或有机化合物的混合物的发光二极管(LED)(有机发光二极管或OLED)进行比较：
参考文献1.具有发射和感测能力的有机双功能装置，《日本应用物理学杂志(Japanese Journal of Applied Physics)》46,1328(2007)
参考文献2.集成的有机蓝色LED和日盲型紫外光电检测器，《物理化学杂志C(Journal of Physical Chemistry C)》115,2462(2011)
参考文献3.由电荷转移特性的萘二甲酰亚胺衍生物组成的具有紫外线光检测和电致发光特性的高性能有机集成装置，《应用物理快报(Applied Physics Letters)》105,063303(2014)
参考文献4.具有由热激活延迟荧光发射极实现的高效电致发光的高性能有机紫外光电检测器，《应用物理快报(Applied Physics Letters)》107,043303(2015)
参考文献5.双异质结纳米棒发光二极管的高效率和光学各向异性，《ACS纳米(ACSNano)》9,878(2015)
在上表中，注意到与各种OLED相比，QD和NR都具有优异的吸收范围、亮度和上升时间。NR还在响应度和上升时间方面优于QD。
实例6：用纳米棒制成的装置的响应时间
如上所述使用NR制备各个PD。如上所述测量响应时间。结果如下：
纳米棒PD响应时间
<u>激光波长</u> <u>f3dB</u> <u>响应时间</u>
730nm 5500Hz 0.18ms
400nm 10kHz 0.1ms
实例7：光电元件4×4阵列。
如下制造呈4×4正方形阵列的16个光电元件的阵列。如图11A至11E所示，该装置是在玻璃衬底上的图案化氧化铟锡(ITO)上制造。将PEDOT:PSS(Clevios P VP AI 4083)导电聚合物以4000rpm涂覆在ITO上，并在120℃下空气退火5分钟。将该装置转移到手套箱中并在180℃下退火20分钟。然后，将溶解在间二甲苯中的7mg/mL TFB/F4TCNQ混合物溶液以3000rpm旋涂，并在180℃下退火30分钟。在氯仿中的纳米棒(如上所述合成)(60mg/mL)在用呈1:1体积比的氯仿和甲醇洗涤两次后，以2000rpm旋涂，然后在180℃下退火30分钟。然后将30mg/mL的ZnO的丁醇溶液以3000rpm旋涂并在100℃下退火30分钟。然后通过电子束蒸发技术沉积100nm厚的Al阴极。在手套箱中使用环氧树脂(NOA 86)用盖玻片封装该装置。
可商购的Arduino Uno和Mega(Arduino公司)用于控制双向显示器应用的装置。除了施加有效正向偏压以使用Arduino打开LED装置外，它还可以测量来自外部光源的光电流和继电器触发信号。可以使用Arduino集成开发环境(IDE)软件对电路板进行编程。
实例8：对具有4×4阵列的特定光源的检测演示。
特定光源是绿色激光。最初，所有十六个光电元件都被置于有效反向偏压中。布置相关电路，使得当用于特定光电元件的电流检测器检测到电流时，偏压将从有效反向偏压翻转到有效正向偏压，并保持有效正向偏压1秒，然后再翻转回有效反向偏压。当打开激光并瞄准其中一个光电元件时，该元件开始发出黄光，并在再次变暗之前保持发光1秒钟。当笔从一个光电元件移动到另一个光电元件时，激光的光所落到的光电元件发光并保持发光一秒钟。笔的运动描绘出几个图案，例如，四个光电元件中的三个构成的三角形，并且光电元件阵列在返回到暗状态之前以相同的图案发光1秒。

Claims (10)

1.一种在光电元件阵列上产生图像的方法，其包含
(a)提供装置，其包含光电元件阵列和连接到每个光电元件的电路，
其中所述光电元件包含多个量子点或多个纳米棒，且
其中所述电路被配置为能够在其中所述电路提供能使所述光电元件发光的有效正向偏压的一个配置和其中所述电路提供当所述光电元件敏感的光击中所述光电元件时使所述光电元件能够产生光电流的有效反向偏压的另一个配置之间独立地切换各个光电元件，
(b)对两个或更多个所述光电元件施加有效反向偏压，
(c)提供电路，所述电路将检测来自单个有效反向偏压的光电元件的光电流的开始，并且通过将所述单个光电元件上的所述偏压改变为有效正向偏压来响应所述光电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置包含选自由量子点和纳米棒组成的群组中的材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置包含纳米棒。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置包含一个或多个异质结。
5.根据权利要求1所述的方法，其中一个或多个有效反向偏压的光电元件的所述有效反向偏压被切换为有效正向偏压并且在至少20Hz频率下切换回到有效反向偏压。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述偏压交替得足够快以在视觉上显现出处于恒定的发光状态。
7.根据权利要求1所述的方法，还包含以下步骤：
(d)将所述装置暴露在由特定光源发射的光线下。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述特定光源是LED或激光器。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述特定光源是手持式的。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述特定光源的特征光学频率高于所述有效反向偏压的光电元件的特征光学频率。
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