CN110828670B - 一种基于aie材料的倍增型有机光电探测器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电器件领域，公开了一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器及制备方法。所述有机光电探测器结构依次包括透明基底、阳极、空穴传输层、有源层、间隔层、电子俘获层、电子传输层和金属阴极；所述有源层为电子给体材料AIE1或AIE2和电子受体材料C60或C70的共混层；所述间隔层为C60或C70；所述电子俘获层为C60或C70与MoO3的共混层。本发明首次采用AIE材料作为活性层，利用俘获电子诱导空穴隧穿注入机理制备了高效倍增型有机光电探测器，其外量子转换效率为60840％，归一化探测率为3.08×1012Jones，扩展了AIE材料在光电器件领域中的应用。

Description

一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器及制备方法
技术领域
本发明属于光电器件领域，具体涉及一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器及制备方法。
背景技术
光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的光电器件。与无机光电探测器相比，有机光电探测器具有重量轻、成本低、响应光谱范围可调、材料选择范围广、柔性好、易于制成大面积器件等优点，因此受到了人们的广泛关注。目前，文献报道的有机光探测器主要是光二极管型，即有机材料吸收太阳光子而产生激子，激子扩散到给受体材料的界面处，并解离成自由载流子，之后载流子被电极收集，从而产生光生电流，实现对光的探测和响应。由于受到光吸收效率、激子产生效率、激子分离效率、载流子传输与收集效率的影响，这类光探测器的外量子效率都小于100％。外量子效率是光电探测器关键的性能指标之一，外量子效率越高，器件越灵敏。较低的外量子效率，意味着相同光照下产生的光电流更小，从而使检测过程变得困难，这大大限制了器件探测弱光方面的应用。因此，为了获得高外量子效率的光电探测器，人们将光电倍增效应成功的引入到了光电探测器中。在无机光电探测器中，通常需要100-200伏的高反向偏置电压，并利用碰撞电离或者雪崩效应来获得倍增现象。然而，由于有机材料具有相对较大的激子结合能，不能利用上述机理实现倍增。近年来，研究者们利用陷阱辅助电荷隧穿注入的方法成功制备出了外量子效率远大于100％的高灵敏度倍增型有机光电探测器。
自从唐本忠院士在2001年提出“聚集诱导发光”(AIE)的概念以来，便受到了广大科研工作者的关注。AIE材料表现出固态发光、高度扭转构象、低的分子间作用以及良好的热稳定性和光稳定性等优点，是制备高效光电器件极好的候选材料，目前已经在有机光电二极管(OLED)、有机光电晶体管(OFET)、有机光伏(OPV)等领域得到了广泛的应用。然而，将AIE材料应用到光电探测器领域中迄今为止还没有报道。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器。该器件的外量子效率高、归一化探测率高。
本发明的另一目的在于提供上述基于AIE材料的倍增型有机光电探测器的制备方法。该方法具有制备成本低、工艺简单的特点。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器，器件结构依次包括透明基底、阳极、空穴传输层、有源层、间隔层、电子俘获层、电子传输层和金属阴极；
所述有源层为电子给体材料AIE1(BT-2TPEPH)或AIE2(BT-2TPENaNH)(具体合成过程见文献(Chem.Sci.,2018,9,6118-6125))和电子受体材料C60或C70的共混层；所述间隔层为C60或C70；所述电子俘获层为C60或C70与MoO3的共混层；
Figure BDA0002293247380000021
进一步地，所述透明基底为玻璃、塑料中的一种。
进一步地，所述阳极为ITO、导电聚合物或高功函数金属Au(5.1eV)等。
进一步地，所述空穴传输层材料为TAPC、NPB、TCTA或m-MTDATA；空穴传输层厚度为10～60nm。
进一步地，所述有源层中电子给体材料的质量浓度在5％～80％之间。
进一步地，所述有源层厚度为50～200nm。
进一步地，所述间隔层厚度为20～80nm。
进一步地，所述电子俘获层厚度为5～20nm。
进一步地，所述电子俘获层中MoO3的质量浓度为1％～50％。
进一步地，所述电子传输层材料为TPBi、BmPyPb、TmPyPb、BCP、PO-T2T、3TPYMB或Bphen；电子传输层厚度为5～20nm。
进一步地，所述金属阴极为Al、Ag或Au；金属阴极厚度为50～200nm。
上述基于AIE材料的倍增型有机光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
在透明基底上溅射阳极，然后依次蒸镀空穴传输层、有源层、间隔层、电子俘获层、电子传输层和金属阴极，得到基于AIE材料的倍增型有机光电探测器。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明中的器件通过利用MoO3俘获光生电子诱导空穴隧穿注入的机理获得了光电流倍增效应，从而实现高外量子效率(EQE＝60840％)、高探测灵敏度(D*＝3.08×1012Jones)。
(2)本发明中的器件选用AIE材料作为活性层，从而进一步拓宽了AIE材料在光电器件领域的应用。
(3)本发明的器件制作工艺简单、成本低，可用于制备柔性光电探测器，应用范围广。
附图说明
图1是本发明实施例中基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器的结构示意图。
图2是本发明实施例中基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器在光照下的工作机理图。
图3是本发明实施例1中所得有机光电探测器有源层中AIE1、C70、AIE1:C70薄膜的归一化吸收光谱曲线图。
图4是本发明实施例1中所得基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器的外量子效率曲线图。
图5是本发明实施例1中所得基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器的归一化探测率曲线图。
图6是本发明实施例1中所得基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器的归一化光电流-时间曲线图。
图7是本发明实施例2中所得基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器的外量子效率曲线图。
图8是本发明实施例2中所得基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器的归一化探测率曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器，沿入射光方向依次包括透明基底1、阳极2、空穴传输层3、有源层4、间隔层5、电子俘获层6、电子传输层7、以及金属阴极8；
本实施例中，所述透明基底为玻璃；所述阳极为氧化铟锡(ITO)；所述空穴传输层为TAPC，其厚度为40nm；所述有源层为电子给体材料与电子受体材料的共混薄膜，其厚度为80nm。其中，所述电子给体材料为AIE1，所述电子受体材料为C70，所述有源层中电子给体材料的质量浓度在50％；所述间隔层为C70，其厚度为50nm；所述电子俘获层为C70与MoO3的共混层，其厚度为10nm，MoO3的掺杂质量浓度为10％；所述电子传输材料为BCP，其厚度为10nm；所述阴极为金属铝，其厚度为100nm。
本实施例基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器具体制备方法如下：
先将玻璃基底上光刻4mm宽、30mm长的ITO阳极；然后，在洗液中超声清洗90分钟后，用氮气吹干，在110℃的真空烘箱内烘烤30分钟；烘干后的ITO玻璃，用氧等离子体处理4分钟，随后将其传输进入真空蒸镀系统中。当真空蒸镀系统内的真空度达到～10-5Pa时，依次在ITO层上蒸镀空穴传输层TAPC、有源层AIE1:C70、间隔层C70、电子俘获层C70:MoO3、电子传输层BCP以及Al阴极。其中，两个电极交叉重叠部分形成器件的有效光探测区，其有效面积为16mm2。最终制备成结构为Glass/ITO/TAPC(40nm)/AIE1:C70(80nm,50％)/C70(50nm)/C70:MoO3(10nm,10％)/BCP(10nm)/Al(100nm)的倍增型有机光电探测器。
附图1和附图2给出了本实施例所涉及的有机光电探测器的器件结构及能级图。从图中可以看出，本发明采用结构Glass/ITO/TAPC/AIE:C70/C70/C70:MoO3/BCP/Al，该器件电子俘获层中MoO3可以有效的俘获电子，形成内建电场，导致界面能带弯曲，势垒宽度将会随之减薄，从而诱导外电路空穴隧穿注入并被ITO阳极收集。此时，实际光电流为光生电流和外电路空穴注入电流的和，最终表现出光电倍增效应，探测器的探测能力得以提高。
附图3给出了本实施例所涉及的有机光电探测器的有源层材料的归一化吸收光谱。从图中可以看出，有源层给体材料AIE1、受体材料C70及共混薄膜AIE1:C70在可将光范围内具有良好的吸收，吸收光谱范围是300-800nm。
附图4给出了本实施例所涉及的有机光电探测器的外量子效率曲线图。从图中可以看出，随着反向外加偏压的增加，器件的外量子效率显著提高，在-9V的反向偏压下，器件光谱响应范围300-800nm波长内的外量子效率大于100％。其中，在350nm波长处的最大外量子效率可以达到60840％。
附图5给出了本实施例所涉及的有机光电探测器的归一化探测率曲线图。在-6V偏压下，器件在300-800nm波长响应范围内的归一化探测率大于1×1011Jones。其中，器件在350nm波长处最大归一化探测率可以达到3.08×1012Jones。
附图6给出了本实施例所涉及的有机光电探测器的归一化光电流-时间曲线图。在-8V偏压下，在强度为1mW/cm2的460nm光连续不断照射下，器件经过700小时的连续测试后仍然保留了初始光电流响应值的50％，这是已报道文献中寿命最长的OPD之一。另外，在实际应用中器件可能不需要这种连续的极端条件下工作，因此在满足实际应用的同时，降低光照明强度和施加的偏压可以进一步有效地延长探测器的使用寿命。
实施例2
本实施例中，所述透明基底为玻璃；所述阳极为氧化铟锡(ITO)；所述空穴传输层为TAPC，其厚度为40nm；所述有源层为电子给体材料与电子受体材料的共混薄膜，其厚度为80nm。其中，所述电子给体材料为AIE2，所述电子受体材料为C70，所述有源层中电子给体材料的质量浓度在50％；所述间隔层为C70，其厚度为50nm；所述电子俘获层为C70与MoO3的共混层，其厚度为10nm，MoO3的掺杂质量浓度为10％；所述电子传输材料为BCP，其厚度为10nm；所述阴极为金属铝，其厚度为100nm。
本实施例基于聚集诱导发光材料的倍增型有机光电探测器具体制备方法如下：
先将玻璃基底上光刻4mm宽、30mm长的ITO阳极；然后，在洗液中超声清洗90分钟后，用氮气吹干，在110℃的真空烘箱内烘烤30分钟；烘干后的ITO玻璃，用氧等离子体处理4分钟，随后将其传输进入真空蒸镀系统中。当真空蒸镀系统内的真空度达到～10-5Pa时，依次在ITO层上蒸镀空穴传输层TAPC、有源层AIE2:C70、间隔层C70、电子俘获层C70:MoO3、电子传输层BCP以及Al阴极。其中，两个电极交叉重叠部分形成器件的有效光探测区，其有效面积为16mm2。最终制备成结构为Glass/ITO/TAPC(40nm)/AIE2:C70(80nm,50％)/C70(50nm)/C70:MoO3(10nm,10％)/BCP(10nm)/Al(100nm)的倍增型有机光电探测器。
附图7给出了本实施例所涉及的有机光电探测器的外量子效率曲线图。从图中可以看出，随着反向外加偏压的增加，器件的外量子效率显著提高，在-6V的反向偏压下，器件光谱响应范围300-800nm波长内的外量子效率大于100％。其中，在350nm波长处的最大外量子效率可以达到29867％。
附图8给出了本实施例所涉及的有机光电探测器的归一化探测率曲线图。在-3V偏压下，在350nm波长处器件的最大归一化探测率可达1.68×1012Jones。
以下是上述所用到材料的全称及分子结构式：
1、TAPC：中文全称4,4'-环己基二[N,N-二(4-甲基苯基)苯胺]
Figure BDA0002293247380000071
2、C70：中文全称富勒烯C70
Figure BDA0002293247380000072
3、AIE1：英文全称N4,N7-diphenyl-N4,N7-bis(4-(1,2,2-triphenylvinyl)phenyl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole-4,7-diamine
Figure BDA0002293247380000073
4、AIE2：英文全称N4,N7-di(naphthalen-1-yl)-N4,N7-bis(4-(1,2,2-triphenylvinyl)phenyl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole-4,7-diamine
Figure BDA0002293247380000081
5、MoO3：中文全称三氧化钼
6、BCP中文全称2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-邻二氮杂菲(浴铜灵)
Figure BDA0002293247380000082
7、ITO：氧化铟锡。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器，其特征在于：器件结构依次包括透明基底、阳极、空穴传输层、有源层、间隔层、电子俘获层、电子传输层和金属阴极；
所述有源层为电子给体材料AIE1或AIE2和电子受体材料C60或C70的共混层；所述间隔层为C60或C70；所述电子俘获层为C60或C70与MoO3的共混层；
Figure FDA0002895632070000011
所述电子俘获层中MoO3的质量浓度为1％～50％。
2.根据权利要求1所述的一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器，其特征在于：所述透明基底为玻璃、塑料中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器，其特征在于：所述阳极为ITO、导电聚合物或高功函数金属Au。
4.根据权利要求1所述的一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器，其特征在于：所述空穴传输层材料为TAPC、NPB、TCTA或m-MTDATA；空穴传输层厚度为10～60nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器，其特征在于：所述有源层中电子给体材料的质量浓度在5％～80％之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器，其特征在于：所述有源层厚度为50～200nm；所述间隔层厚度为20～80nm；所述电子俘获层厚度为5～20nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器，其特征在于：所述电子传输层材料为TPBi、BmPyPb、TmPyPb、BCP、PO-T2T、3TPYMB或Bphen；电子传输层厚度为5～20nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器，其特征在于：所述金属阴极为Al、Ag或Au；金属阴极厚度为50～200nm。
9.权利要求1～8任一项所述的一种基于AIE材料的倍增型有机光电探测器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
在透明基底上溅射阳极，然后依次蒸镀空穴传输层、有源层、间隔层、电子俘获层、电子传输层和金属阴极，得到基于AIE材料的倍增型有机光电探测器。
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