CN111490167A

CN111490167A - 一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN111490167A
Application number: CN202010336241.9A
Authority: CN
Inventors: 张磊; 宛晨; 黄江; 贾晓伟
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2020-08-04

Abstract

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器及其制备方法。一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，包括玻璃基板，所述玻璃基板上贴有柔性衬底，所述柔性衬底上镀有透明导电电极ITO，所述透明导电电极ITO自下而上依次旋涂有电子传输层、有机功能层、空穴传输层，所述空穴传输层上镀有金属电极层，所述柔性衬底包括：塑料衬底、不锈钢衬底、超薄玻璃衬底、纸质衬底和生物复合薄膜衬底。本发明不仅解决有机光电探测器的半波峰宽大，还解决了在近红外波段探测性能不佳及无动态探测能力的问题。

Description

一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器及其制备方法。

背景技术

有机光电探测器由于具有柔性，易于集成等特点，在众多消费类电子产品，卫生保健，资源探测，环境保护等方面具有广泛的应用。为了满足实际应用的要求，有机光电探测器应该具有较高的探测率和较窄的光谱响应范围以实现较为精准的探测。且由于长波段激子较难分离，因此器件在近红外波段的外量子效率较低，进而导致探测率也较低。因此，如何在实现较为精准探测的同时，提高近红外波段的探测能力与动态探测能力成为了有机光电探测器研究的重点和难点。

而对于器件而言，主要是针对具有近红外波段窄带探测器的结构设计及制备工艺来提升器件性能。2017年，KoenVandewal课题组在Advanced Materials期刊上报道了一种基于光学微腔结构的给受体有机光电探测器，最终实现了在近红外波段外量子效率能够达到40％的性能。

发明内容

本发明的目的在于：为解决有机光电探测器的半波峰宽大，在近红外波段探测性能不佳及无动态探测能力的问题，提供了一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器及其制备方法。

本发明的技术方案是构造一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，包括玻璃基板，所述玻璃基板上贴有柔性衬底，所述柔性衬底蒸镀有半透明导电电极，再自下而上依次旋涂有电子传输层、有机功能层、空穴传输层、金属电极层，所述柔性衬底包括：

a：塑料衬底；

b：不锈钢衬底；

c：超薄玻璃衬底；

d：纸质衬底；

e：生物复合薄膜衬底。

优选地，所述塑料衬底包括半结晶热塑性聚合物、非结晶聚合物和非结晶高玻璃化转变温度聚合物。

优选地，所述半结晶热塑性聚合物包括PET、PEN、PEEK、VHB和PDMS，所述非结晶聚合物包括PC、PES非结晶热塑性塑料，所述非结晶高玻璃化转变温度聚合物包括PAR、PCO、PNB和PI。

优选地，所述透明导电电极ITO的原料为氧化铟锡、金、银、铝电极、银纳米线和导电高分子薄膜中的任意一种，且其厚度为2～30nm。

优选地，所述电子传输层的原料组成为PEIE，PC₆₁BM、TiO₂和ZnO中的任意一种。

优选地，所述有机功能层为有机给受体材料体异质结PBTTT:PCBM，P3HT:PCBM和C60:CuPc，厚度为100nm～200nm。

优选地，所述空穴传输层的原料组成为MnO₃、PEDOT:PSS、CuSCN、CuI和NiO_m(m＝2或4)中的任意一种。

本发明还提供一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器的制备方法，包括以下步骤：

1)：在玻璃基板上粘贴一层柔性衬底；

2)：在柔性衬底上蒸镀一层透明金属电极层；

3)：在透明导电电极ITO上旋涂一层电子传输层，退火备用；

4)：将有机给受体溶液溶液旋涂于电子传输层上，形成有机功能层，退火备用；

5)：在有机功能层上蒸镀MnO₃，形成空穴传输层；

6)：在空穴传输层上蒸镀金属电极层。

优选地，所述步骤6)中的金属电极为银电极。

本发明有益效果：

1.本发明基于电荷窄化吸收效应，由于光的穿透深度由光的波长所决定，波长越长传播距离越深，波长越短传播距离越浅，且光的吸收效率以距离呈指数衰减，靠近吸光层带隙的入射光材料吸收率低，而光可以穿透吸光层到达底电极，在整个吸光层上都有光生载流子产生，电子-空穴复合损耗小，向两端传输比较平衡，器件外量子效率可以保持较高水平，因此本发明通过将钙钛矿薄膜做厚，使光在活性层里面传播距离变长，在活性层产生电荷窄化吸收效应，使得较短波长的光被抑制吸收，较长波长的光波吸收不受影响，从而降低探测器的半波峰宽，使探测器能够实现精确探测较窄波长范围内的光波，提高了钙钛矿光探测器的探测性能。

2.本发明通过将光分别由衬底和Ag电极照射，分别得到宽带和窄带探测性能。由于钙钛矿活性层的空穴传输能力远大于电子传输能力，当从玻璃衬底一侧入射时，空穴传输距离大于电子传输距离，电子-空穴复合损耗大，向两端传输不平衡，器件外量子效率较低，便有电荷窄化吸收效应，此时探测器具有窄带探测性能；当从Ag电极一侧入射时，空穴传输距离小于电子传输距离，电子-空穴复合损耗小，向两端传输较为平衡，器件外量子效率较高，便没有电荷窄化吸收效应，此时探测器具有宽带探测性能；

3.本发明通过对钙钛矿材料进行不同配比的选取，利用不同配比和成分的钙钛矿材料来制备不同的钙钛矿敏感层，由于不同的钙钛矿敏感层对于光波段的吸收不同，进而实现对于不同中心波段的有效探测。

4.本发明中，钙钛矿光电探测器的结构独特，通过结合简单高效的旋涂工艺，具有良好的探测能力，对于钙钛矿光电探测器以及其他领域的探测器的大规模工业制备具有指导意义。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

附图序号说明：

1-玻璃基板，2-柔性衬底，3-透明导电电极ITO，4-电子传输层，5-有机功能层，6-空穴传输层，7-金属电极层。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照说明书附图的图1对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被认为是“设置”或“连接”在另一个元件上，它可以是直接设置或连接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文中所使用的所有的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在于限制本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，包括玻璃基板1，所述玻璃基板1上贴有柔性衬底2，柔性衬底2上镀有透明导电电极ITO3，所述透明导电电极ITO3自下而上依次旋涂有电子传输层4、有机功能层5、空穴传输层6，所述空穴传输层6上镀有金属电极层7。

其中，所述柔性衬底2为PET。

所述半透明导电电极ITO3采用厚度为30nm的Au导电电极。

所述电子传输层4采用厚度为10nm的PEIE。

所述有机功能层5采用厚度为150nm的PBTTT:PCBM体异质结。

所述空穴传输层6采用厚度为10nm的MnO₃薄膜。

所述金属电极层7采用厚度为100nm的银电极。

一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器的制备方法，包括以下制备步骤：

1)：对柔性衬底2层进行清洗：将贴有柔性衬底2层的玻璃基板1依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后通过惰性气体吹干；

2)：蒸镀透明导电电极ITO3：再将玻璃基板1转移至真空蒸镀设备，在真电子传输层4度小于3.0×10^-3Pa的环境下蒸镀一层Au电极，再将透明导电电极ITO3放入臭氧机中进行UV处理10min；

3)：旋涂电子传输层4：在经过臭氧处理之后的透明导电电极ITO3上旋涂一层电子传输层4PEIE，控制转速为4000rpm、时间为20s，然后进行退火处理，退火温度控制在150℃，时间为15min；

4)：旋涂有机功能层5：将已经旋涂了电子传输层4的玻璃基板1和有机给受体溶液在100℃下预热，用旋涂仪吸取机给受体溶液旋涂在电子传输层4表面，然后置于热台上进行退火，在110℃下保温退火1h；

5)：蒸镀空穴传输层6：将玻璃基板1转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3×10^-3Pa的环境下蒸镀一层MnO₃，然后在真空环境下冷却30min。

6)：蒸镀金属电极7：在真空度小于3.0×10^-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极。

测试前，将柔性衬底2PET及其上的薄膜从玻璃基板1上取下来，即得到可弯曲柔性探测器。在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线8垂直入射可弯曲柔性探测器，当将柔性衬底2适当弯曲时，曲率半径为14cm，此时有机功能层5约为130nm，测试结果为可弯曲柔性探测器在800nm处具有近红外窄带探测能力，其探测率为8.2～10¹²Jones，半波峰宽为28nm。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例与实施例1的不同之处在于，将有机功能层5换为P3HT:PCBM。

测试前，将柔性衬底2PET及其上的薄膜从玻璃基板1上取下来，即得到可弯曲柔性探测器。在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线8垂直入射可弯曲柔性探测器，测试结果为当将柔性衬底2适当弯曲时，曲率半径为14cm，有机功能层5约为130nm，测试结果为钙钛矿光电探测器在780nm处具有近红外窄带探测能力，其探测率为8.2～10¹²Jones，半波峰宽为26nm。

实施例3

在实施例1的基础上，本实施例与实施例1的不同之处在于，将可弯曲柔性衬底2PET换为可拉伸柔性衬底2VHB。

测试前，将柔性衬底2VHB及其上的薄膜从玻璃基板1上取下来，即得到可拉伸柔性探测器。在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线8垂直入射可弯曲柔性探测器，测试结果为当将柔性衬底2适当拉伸时，有机功能层5约为135nm，测试结果为可弯曲柔性探测器在780nm处具有近红外窄带探测能力，其探测率为8.2～10¹²Jones，半波峰宽为31nm。

Claims

1.一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，包括玻璃基板(1)，其特征在于，所述玻璃基板(1)上贴有柔性衬底(2)，所述柔性衬底(2)上镀有透明导电电极ITO(3)，所述透明导电电极ITO(3)自下而上依次旋涂有电子传输层(4)、有机功能层(5)、空穴传输层(6)，所述空穴传输层(6)上镀有金属电极层(7)，所述述柔性衬底(2)包括：

a：塑料衬底；

b：不锈钢衬底；

c：超薄玻璃衬底；

d：纸质衬底；

e：生物复合薄膜衬底。

2.根据权利要求1所述的基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，其特征在于，所述塑料衬底包括半结晶热塑性聚合物、非结晶聚合物和非结晶高玻璃化转变温度聚合物。

3.根据权利要求2所述的基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，其特征在于，所述半结晶热塑性聚合物包括PET、PEN、PEEK、VHB和PDMS，所述非结晶聚合物包括PC、PES非结晶热塑性塑料，所述非结晶高玻璃化转变温度聚合物包括PAR、PCO、PNB和PI。

4.根据权利要求1所述的基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，其特征在于，所述透明导电电极ITO(3)的原料为氧化铟锡、金、银、铝电极、银纳米线和导电高分子薄膜中的任意一种，且其厚度为2～30nm。

5.根据权利要求1所述的基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，其特征在于，所述电子传输层(4)的原料组成为PEIE，PC₆₁BM、TiO₂和ZnO中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，其特征在于，所述有机功能层(5)为有机给受体材料体异质结PBTTT:PCBM，P3HT:PCBM和C60:CuPc，厚度为100nm～200nm。

7.根据权利要求1所述的基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，其特征在于，所述空穴传输层(6)的原料组成为MnO₃、PEDOT:PSS、CuSCN、CuI和NiO_m(m＝2或4)中的任意一种。

8.一种基于光学微腔效应的近红外柔性探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)：在玻璃基板(1)上粘贴一层柔性衬底(2)；

2)：在柔性衬底(2)上蒸镀一层透明金属电极层(7)；

3)：在透明导电电极ITO(3)上旋涂一层电子传输层(4)，退火备用；

4)：将有机给受体溶液溶液旋涂于电子传输层(4)上，形成有机功能层(5)，退火备用；

5)：在有机功能层(5)上蒸镀MnO₃，形成空穴传输层(6)；

6)：在空穴传输层(6)上蒸镀金属电极层(7)。

9.根据权利要求8所述的基于光学微腔效应的近红外柔性探测器，其特征在于，步骤6)中的金属电极为银电极。