CN111952460A - 一种基于光学微腔效应的有机光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学微腔效应的有机光电探测器及其制备方法，目的在于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，包括玻璃基板、透明导电电极层、电子传输层、智能调控层、空穴传输层、金属电极层，玻璃基板上蒸镀有透明导电电极层，电子传输层、智能调控层在透明导电电极层上自下而上依次旋涂，智能调控层上蒸镀有空穴传输层，空穴传输层上蒸镀有银质的金属电极层，提高了有机光探测器的探测性能，具有能够探测近红外光波的良好性能，且制备方法简单高效，适用于规模化生产。

Description

一种基于光学微腔效应的有机光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种基于光学微腔效应的有机光电探测器及其制备方法。
背景技术
有机光电探测器由于具有，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，Koen Vandewal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。
基于光学微腔结构的有机光电探测器要想实现不同波段的响应，需要做不同腔厚度的多个器件来实现。使用单个器件实现不同波长的调谐，可以实现更高效地探测。
发明型内容
本申请公开了一种基于光学微腔效应的有机光电探测器及其制备方法，解决了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。
为了解决上述问题，本申请采取以下技术方案：
一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，包括玻璃基板、透明导电电极层、电子传输层、智能调控层、空穴传输层和银质的金属电极层；玻璃基板上蒸镀有透明导电电极层，在透明导电电极层上自下而上依次旋涂电子传输层、智能调控层，智能调控层上蒸镀有空穴传输层，空穴传输层上蒸镀有银质的金属电极层。
优选地，透明导电电极层的材质为氧化铟锡、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，电子传输层的材料为PEIE，PC61BM、TiO2和ZnO中的任意一种。
优选地，智能调控层为的材质为有机给受体材料体异质结和含偶氮苯的液晶弹性体的混合物。
优选地，有机给受体材料体异质结为PBTTT：PCBM，P3HT：PCBM或C60：CuPc。
优选地，含偶氮苯的液晶弹性体为：以聚硅氧烷为主链、偶氮苯基团位于交联部分的单畴向列相液晶弹性体；或，
含有偶氮苯基团的腰挂型向列相液晶弹性体；或，
具有平行取向偶氮苯介晶基元的液晶弹性体；或，
多畴的液晶弹性体，偶氮苯液晶基元在微观上形成有序排列，而宏观上则是无序状态；或，
具有偶氮二苯乙炔侧基的液晶弹性体。
优选地，空穴传输层的材质为MnO3、PEDOT：PSS、CuSCN、CuI、NiO2和NiO4中的任意一种。
本申请还包括一种基于光学微腔效应的有机光电探测器的制备方法，用于制备上述的一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，包括以下步骤：
(a)清洗玻璃基板，然后在玻璃基板上蒸镀一层透明金属层作为透明导电电极层二
(b)在透明导电电极层上旋涂一层电子传输层，退火备用；
(c)将有机给受体和含偶氮苯的液晶弹性体混合液旋涂于电子传输层上，形成智能调控层，退火备用；
(d)在智能调控层上蒸镀MnO3，形成空穴传输层；
(e)在空穴传输层上蒸镀银电极作为金属电极层。
采取上述技术方案，本申请通过利用光学微腔效应，使得器件可以得到可见波段或近红外波段的窄带探测性能；通过利用可掺入在有机给受体中并且在紫外光照射下发生弯曲的含有偶氮苯基团液晶弹性体，其紫外照射光强强度不等弯曲程度不同，进而改变器件的厚度，即可改变光学微腔的厚度，通过调节光学微腔的厚度来实现不同波段的探测，进而实现对于不同波段的动态探测能力；通过结合简单高效的旋涂工艺，装置具有良好的探测能力，对于有机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为本发明实施例的结构示意图，
图2为本发明实施例1的制备方法的流程图，
其中，1-玻璃基板，2-透明导电电极层，3-电子传输层，4-智能调控层，5-空穴传输层，6-金属电极层，7-入射光线。
具体实施方式
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。
参阅图1，一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，包括玻璃基板1，玻璃基板1镀有透明导电电极层2，透明导电电极层2上面自下而上依次旋涂有电子传输层3、智能调控层4，智能调控层4上蒸镀有空穴传输层5，空穴传输层5上蒸镀有金属电极层6。
本装置工作时，吸收照射的光以后，智能调控层4可以实现有机给受体吸收光子，产生电子-空穴对，由于掺入了在紫外光照射下发生弯曲的含有偶氮苯基团的腰挂型向列相液晶弹性体E-25％-偶氮，其紫外照射光强强度不等弯曲程度不同，进而改变器件的厚度，即可改变光学微腔的厚度，通过调节光学微腔的厚度来实现不同波段的探测，进而实现对于不同波段的动态探测能力。游离的电子-空穴对在电子传输层3和空穴传输层5均实现将电子-空穴对分离，分离后的电子和空穴游离到电子传输层3时，电子传输层3将光生电子向负极传输，空穴传输层5使空穴向正极传输，透明导电电极层2为负极，金属电极层6为正极，二者分别收集电子和空穴。
透明导电电极层2的材质为氧化铟锡、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。电子传输层3的材料为PEIE，PC61BM、TiO2和ZnO中的任意一种。智能调控层4为的材质为一种有机给受体材料体异质结和一种含偶氮苯的液晶弹性体的混合物，其中有机给受体材料体异质结的种类包括PBTTT：PCBM，P3HT：PCBM和C60：CuPc，含偶氮苯的液晶弹性体的种类包括：
(1)以聚硅氧烷为主链、偶氮苯基团位于交联部分的单畴向列相液晶弹性体，在紫外光照射下由偶氮苯异构引发的光致收缩行为；
(2)含有偶氮苯基团的腰挂型向列相液晶弹性体，在紫外光的照射下快速收缩，收缩率可达18％，在黑暗环境下缓慢恢复；
(3)具有平行取向偶氮苯介晶基元的液晶弹性体，在360nm的紫外光的照射下会沿着液晶基元的排列方向朝着入射光发生弯曲，用540nm的可见光照射后薄膜恢复到初的平展状态。反之，具有垂直取向偶氮苯介晶基元的的液晶弹性体，则是背着入射光方向弯曲的；
(4)多畴的液晶弹性体，偶氮苯液晶基元在微观上形成有序排列，而宏观上则是无序状态，用线性偏振紫外光照射该液晶弹性体薄膜时，液晶基元排列方向与线性偏振光偏振方向一致的会发生光致收缩，于是整个薄膜沿着偏振光的偏振方向发生了弯曲形变；
(5)具有偶氮二苯乙炔侧基的液晶弹性体，在436nm短波可见光照射后表层发生收缩，导致薄膜迎着入射光的方向弯曲，并且弯曲的薄膜在577nm的可见光照射下可以回复到平展的状态。
空穴传输层的材质为MnO3、PEDOT：PSS、CuSCN、CuI、NiO2和NiO4中的任意一种。
实施例1
在本实施例中，透明导电电极层2采用厚度为30nm的Au导电电极，电子传输层3采用厚度为10nm的PEIE，智能调控层4采用厚度为150nm的PBTTT：PCBM和E-25％-偶氮的混合物，E-25％-偶氮是一种含有偶氮苯基团的腰挂型向列相液晶弹性体，光强为20mWcm2时其收缩率为12％，而100mWcm-2时其收缩率为17％；空穴传输层5采用厚度为10nm的MnO3薄膜，金属电极层6采用厚度为100nm的银电极。
如图2所示，制备本实施例的装置时，采用本公开的一种基于光学微腔效应的有机光电探测器的制备方法，包括以下制备步骤：
(a)对玻璃基板1进行清洗再蒸镀透明导电电极层2：将玻璃基板1依次放入洗涤剂、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15分钟，然后通过惰性气体吹干；再将玻璃基板1转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Au电极再将装置放入臭氧机中进行UV处理10分钟形成透明导电电极层2，。
(b)旋涂电子传输层3：在经过臭氧处理之后的透明导电电极层2上旋涂一层电子传输层，控制转速为4000rpm、时间为20秒，然后进行退火处理，退火温度控制在150℃，时间为15分钟。
(c)旋涂智能调控层4：将已经旋涂了电子传输层3的装置，以及有机给受体和含偶氮苯的液晶弹性体混合液在100℃下预热，用旋涂仪吸取混合液旋涂在电子传输层3表面，然后置于热台上进行退火，在110℃下保温退火1小时。
(d)蒸镀空穴传输层5：将玻璃基板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30分钟。
(e)蒸镀金属电极6：再在真空度小于3.0×10-3Pa的环境下蒸镀一层Ag电极。
测试前，用光强为20mWcm-2紫外线照射该探测器一分钟，即得到了微腔厚度改变的探测器。在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线7垂直入射探测器，此时智能调控层约为11.2，厚度增加了1.2nm，测试结果为探测器在780nm处具有近红外窄带探测能力，其探测率为～1012Jones，半波峰宽为25nm。
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，用是光强为100mWcm-2紫外线照射。
测试前，先用光强为100mWcm-2紫外线照射一分钟，即得到了微腔厚度改变的探测器。在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线7垂直入射探测器，此时智能调控层约为11.7nm，厚度增加了1.7nm，测试结果为探测器在800nm处具有近红外窄带探测能力，其探测率为～1012Jones，半波峰宽为24nm。

Claims (8)

1.一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，其特征在于：包括玻璃基板(1)、透明导电电极层(2)、电子传输层(3)、智能调控层(4)、空穴传输层(5)和金属电极层(6)；
玻璃基板(1)上蒸镀有透明导电电极层(2)，在透明导电电极层(2)上自下而上依次旋涂电子传输层(3)和智能调控层(4)，智能调控层(4)上蒸镀有空穴传输层(5)，空穴传输层(5)上蒸镀有银质的金属电极层(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，其特征在于：所述透明导电电极层(2)的材质为氧化铟锡、金、银、铝电极、银纳米线或导电高分子薄膜中，且其厚度为2～30nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，其特征在于：所述电子传输层(3)的材料为PEIE、PC61BM、TiO2或ZnO。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，其特征在于：所述智能调控层(4)为的材质为有机给受体材料体异质结和含偶氮苯的液晶弹性体的混合物。
5.根据权利要求4所述的一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，其特征在于：所述有机给受体材料体异质结为PBTTT:PCBM、P3HT:PCBM或C60:CuPc。
6.根据权利要求4所述的一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，其特征在于，所述含偶氮苯的液晶弹性体为：以聚硅氧烷为主链、偶氮苯基团位于交联部分的单畴向列相液晶弹性体；或，
含有偶氮苯基团的腰挂型向列相液晶弹性体；或，
具有平行取向偶氮苯介晶基元的液晶弹性体；或，
多畴的液晶弹性体，偶氮苯液晶基元在微观上形成有序排列，而宏观上则是无序状态；或，
具有偶氮二苯乙炔侧基的液晶弹性体。
7.根据权利要求1所述的一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，其特征在于：所述空穴传输层(5)的材质为MnO3、PEDOT：PSS、CuSCN、CuI、NiO2或NiO4。
8.一种基于光学微腔效应的有机光电探测器的制备方法，用于制备权利要求1-7所述的任意一种基于光学微腔效应的有机光电探测器，其特征在于，包括以下步骤：
(α)清洗玻璃基板(1)，然后在玻璃基板上蒸镀一层透明金属层作为透明导电电极层(2)；
(b)在透明导电电极层(2)上旋涂一层电子传输层(3)，退火备用；
(c)将有机给受体和含偶氮苯的液晶弹性体混合液旋涂于电子传输层上(3)，形成智能调控层(4)，退火备用；
(d)在智能调控层(4)上蒸镀MnO3，形成空穴传输层(5)；
(e)在空穴传输层(5)上蒸镀银电极作为金属电极层(6)。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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