CN113328039B - 一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，属于光电探测领域。所述光电探测器包括三个模块，分别为光路调控装置，钙钛矿光电探测器和TFT背板；其中光路调控装置由反射单元和外部控制单元组成，外部控制单元通过磁场或电场的变化控制反射单元自由转动、使反射单元将光源光线以不同的角度折射到钙钛矿光电探测器上，作为入射光线。通过在钙钛矿敏感层中掺杂Rhodamine B，确保了将活性层薄膜的厚度控制在1μm以内，降低了工艺难度，同时也实现了光响应变化的灵敏度。将光学反射镜与钙钛矿光电探测器结合的结构新颖独特，通过简单的光路处理就可以实现探测光谱的连续可调。

Description

一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器
技术领域
本发明属于光电探测领域，涉及一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器。
背景技术
光电探测器是一种利用光电效应将光信号转换成容易测量的电信号以便进行后续处理的器件。它在消费级电子产品、科研、军事及安全等方面都有着十分广泛的应用，尤其是近年来随着可穿戴电子设备、物联网、机器视觉和生物传感等众多新兴领域的发展，人们对新型光电探测器的需求越来越多。目前光电探测器主要分成四个大类，即有机光电探测器，无机光电探测器，量子点光电探测器和钙钛矿光电探测器，然而无论是以上哪一种探测器都需要改变器件的活性层材料、膜厚、掺杂比例等其中一个或多个内部因素的条件下才能实现探测光谱的可调性。如何在只改变外部条件的前提下，实现光电探测器的光谱连续可调成为了该研究领域的难点和重点。
2019年，剑桥大学的Zongyin Yang和Tom Albrow-Owen等人报道了一种基于单组分纳米线的超紧凑型微光谱仪，他们根据沿着纳米线的长度测量的不同的光电流和光谱响应来计算和重建入射光场分布，从而得到一系列连续的单色入射光，该成果发表在Nanophotonics上。但该方法涉及到复杂的单组分纳米线制备工艺和繁琐的光谱处理过程，有待进一步优化。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，利用一种简单有效的方式，即通过控制入射光线的角度改变光在器件中的光程，以间接改变活性层的厚度，进而实现响应光谱的连续可调。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，所述光电探测器包括三个模块，分别为光路调控装置，钙钛矿光电探测器和TFT背板；其中光路调控装置由反射单元和外部控制单元组成，外部控制单元通过磁场或电场的变化控制反射单元自由转动、使反射单元将光源光线以不同的角度折射到钙钛矿光电探测器上，作为入射光线。
光路调控装置使用时，可以尽量贴近钙钛矿光电探测器放置，不要离钙钛矿光电探测器表面太远，这样反射单元转动一个小角度，就会有大的光程的变化，从而增加钙钛矿光电探测器对转动角度的灵敏度。另一方面，光路调控装置越靠近钙钛矿光电探测器放置越有利于器件的集成。
进一步地，所述外部控制单元通过电场的变化控制反射单元自由转动时，外部控制单元采用驱动电路、反射单元采用DMD芯片，所述DMD芯片包括0.33英寸、0.47英寸。
0.33英寸DMD芯片：约92万个微反射镜片，镜片转动最大角度为±12°、0.47英寸DMD芯片:约207万个微反射镜片，镜片转动最大角度为±17°。
进一步地，所述外部控制单元通过磁场的变化控制反射单元自由转动时，外部控制单元为磁场发生装置、包括通电螺线管，反射单元采用磁化的反射镜片；
反射镜片的磁化方式包括以下几种方式：
方式一：通过在镜片的背面涂敷一层软磁材料的磁粉；软磁材料可以是合金材料，如硅钢合金(Fe-Si)、坡莫合金(Fe-Ni)、仙台斯特合金(Fe-Si-Al)等；可以是软磁铁氧体，如Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等；或者是非晶与纳米微晶金属软磁材料
方式二：通过在镜片的背面固定一层软磁材料的金属薄片。
进一步地，所述钙钛矿光电探测器结构自上而下依次为玻璃基板，透明导电电极层，空穴传输层，钙钛矿敏感层、电子传输层，空穴阻挡层，和金属电极层。
进一步地，所述钙钛矿敏感层的厚度为200-300nm、钙钛矿敏感层的能带差为0.1-1eV，材料组分包括：
材料1：化学式为ABM3的典型卤素钙钛矿材料；如CH3NH3PbI3、HC(NH2)2PbCl3、CsSnI3；
材料2：化学式为ABM1 x'M2 3-x'的卤素替代固溶体钙钛矿材料；如CH3NH3PbI3-xBrx、CH3NH3PbCl3-xBrx；其中的取值范围为0＜x'＜3；
材料3：化学式为A1 xA2 1-xBM的一价阳离子替代的钙钛矿材料；如(CH3NH3)1-x(HC(NH2)2)xPbI3；其中x的取值范围为0＜x＜1；
材料4：化学式为AB1 xB2 1-xM()的金属替代固溶体钙钛矿材料；如CH3NH3PbxSn1-xI3；其中x的取值范围为0＜x＜1；
材料5：二维钙钛矿材料，包括缺陷型二维钙钛矿；如Cs3Sb2I9、K3Bi2I9、Rb3Bi2I9；二维Ruddlesden–Popper型钙钛矿，如(R–NH3)2(CH3NH3)x-1BxM3x+1；
材料6：上述5类钙钛矿材料中几种材料的混合物。
上述6类钙钛矿材料化学式中A、A1、A2为一价非配位阳离子，包括Cs、CH3NH3、HC(NH2)2；B、B1、B2为二价P区金属，包括Pb、Sn、Ge；M、M1、M2为与金属配位的卤素阴离子，包括F、Cl、Br、I。
进一步地，所述玻璃基板包括柔性衬底或者刚性衬底。
进一步地，通过将Rhodamine B掺杂到钙钛矿里面配成混合溶液，将钙钛矿活性层旋涂为厚膜。
进一步地，所述所述钙钛矿探测器模块中，透明导电电极层包括ITO、FTO、AZO，且其厚度约为130nm。
进一步地，所述钙钛矿探测器模块中，空穴传输层材料包括PEDOT：PSS、TAPC、Spiro-OMeTAD、PTAA等中的任一种。
进一步地，所述钙钛矿探测器模块中，电子传输层材料包括ZnO、PC61BM、PC71BM等中的任一种。
进一步地，所述钙钛矿探测器模块中，空穴阻挡层包括C60、BCP、Al2O3、Bphen等中的任一种。
进一步地，所述钙钛矿探测器模块中，金属电极层为包括金、银、铝电极、银纳米线或导电高分子薄膜的任一种
进一步地，所述TFT背板由多层不同形状的薄膜叠加而成，包括栅极层、绝缘层、半导体层、源漏电极层、钝化层。
进一步地，所述TFT背板位于钙钛矿光电探测器底部，包括与钙钛矿光电探测器连接的接口。
进一步地，包括以下制备方法，
S1：在带有透明导电电极层的玻璃基板上旋涂一层空穴传输层PEDOT:PSS，退火备用；
S2：称量一定摩尔比的甲胺铅碘和甲胺铅溴配制所需卤化物混合比例的钙钛矿前驱体溶液；
S3：将配好的钙钛矿前躯体溶液涂于空穴传输层上；
S4：在钙钛矿敏感层上旋涂一层电子传输层PC61BM；
S5：在电子传输层PC61BM上依次蒸镀空穴阻挡层和金属电极层。
S6：将制备好的钙钛矿光电探测器，光路调控装置和TFT背板，整合在支撑装置上，其中钙钛矿光电探测器的金属电极和透明导电电极与TFT背板模块的源漏极相连，玻璃基板面朝上，光源通过光路调控装置中的反射单元透过玻璃基板照射在钙钛矿光电探测器上。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过控制入射光线的角度改变光在器件中的光程，进而实现响应光谱的连续可调，即当光垂直入射时，可得到宽带的响应光谱；当光斜入射时，可得到窄带的光谱响应。
2、本发明中，通过对钙钛矿光电探测器响应光谱进行处理运算，可在得到的宽带光谱范围内，得到一系列窄带单色光谱，对制作新型的光谱仪提供了思路。
3、本发明中，通过在钙钛矿敏感层中掺杂Rhodamine B，确保了将活性层薄膜的厚度控制在1μm以内，降低了工艺难度，同时也实现了光响应变化的灵敏度。
4、本发明中，将光学反射镜与钙钛矿光电探测器结合的结构新颖独特，通过简单的光路处理就可以实现探测光谱的连续可调，这种新型探测器将在可穿戴电子设备、物联网、机器视觉和生物传感等众多新兴领域中有着十分重要的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是外部控制单元通过电场的变化控制反射单元自由转动时，结构示意图；
图2是外部控制单元通过磁场的变化控制反射单元自由转动时，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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明较佳实施例提供的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，包括钙钛矿光电探测器、反射单元及其外部控制单元，所述钙钛矿光电探测器自上而下依次为玻璃基板，透明导电电极，空穴传输层，钙钛矿敏感层，电子传输层，空穴阻挡层，金属电极层，钙钛矿探测器下面紧接着是TFT背板4。
光路调控装置使用背面涂有磁粉的反射镜片和通电螺线管，将其固定在测试仪器光源的光路上，反射出来的光正好照射在器件上。改变螺线管的电压，控制镜片转动，使光入射到探测器上的角度为0-80°；
玻璃基板上的透明导电电极层使用厚度为130nm的ITO薄膜；
空穴传输层使用厚度为40nm的PEDOT:PSS薄膜；
钙钛矿敏感层使用厚度为300nm左右的CH3NH3PbI2Br薄膜；
电子传输层使用厚度为50nm的PC61BM薄膜；空穴阻挡层使用厚度为20nm的C60；
金属电极层使用厚度为100nm的Ag电极；
TFT背板有源层为低温多晶硅并且同时包括周围的线路、接口和其他控制部分，该模块可直接获得，其具体制作过程不作为实验部分。
钙钛矿光电探测器的结构为：ITO/PEDOT:PSS/CH3NH3PbI2Br/C60/Ag；其具体制作步骤如下：
1.将镀有透明导电电极层的玻璃基板依次放入洗涤剂+去离子水、丙酮、去离子水、异丙醇中，每次超声清洗15min，然后用惰性气体N2吹干，再将基片放入臭氧机中进行UVO处理20min。
2.旋涂空穴传输层：在经过臭氧处理之后的透明导电电极层上旋涂一层空穴传输层PEDOT:PSS，控制转速为3000rpm，时间为60s，然后进行退火处理，退火温度控制在135℃，时间为15min。
3.配置钙钛矿前驱体溶液：将CH3NH3Br、PbI2、Rhodamine B溶解在DMF(N-N二甲基甲酰胺)溶液中，其中CH3NH3Br和PbI2的摩尔比为1:1，浓度为1mol/L，Rhodamine B与CH3NH3Br和PbI2的总质量比为7％，在30℃下搅拌8h后，得到钙钛矿前驱体溶液CH3NH3PbI2Br(掺杂7wt％的Rhodamine B)。
4.制备钙钛矿敏感层：将已经旋涂了空穴传输层③的玻璃基板和钙钛矿前驱体溶液在100℃下预热，用移液器吸取30μlCH3NH3PbI2Br的钙钛矿前驱体溶液，在玻璃基板表面旋涂上述溶液，控制转速为6500rpm，时间为25s。在旋涂18s时用300μl异丙醇溶液进行反溶剂处理，然后置于热台上进行退火，在110℃下保温退火1h，待钙钛矿晶体完全结晶后，转移至玻璃培养皿中冷却。
5.制备钙电子传输层：用旋涂仪吸取30ul PC61BM溶液，在钙钛矿敏感层退火完的表面旋涂上述溶液，控制转速为1600rpm，时间为35s。在旋涂后置于热台上进行退火，在110℃下保温退火0.5h，转移至玻璃培养皿中冷却。
6.蒸镀空穴阻挡层：将玻璃基板转移至真空蒸镀设备，在真空度小于3.0×10-4Pa的环境下蒸镀一层C60，然后在氮气环境下冷却30min。
7.蒸镀金属电极：再将玻璃基板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Ag电极。即得到钙钛矿探测器。
在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线1经过反射镜片，使反射的光线照射在钙钛矿探测器上，改变螺线管电压控制镜片旋转，使光束以不同的角度入射，测试结果如表1所示。
表1光敏层为CH3NH3PbI2Br(300nm)时不同角度入射下的光谱响应
Figure GDA0003628335620000061
实施例2
在实施例一的基础上，将钙钛矿敏感层替换成FAPbI3，将FAI、PbI2、Rhodamine B溶解在DMF(N-N二甲基甲酰胺)溶液中，其中FAI和PbI2的摩尔比为1:1，Rhodamine B与FAI和PbI2的总质量比为7％，在30℃下搅拌8h后，得到钙钛矿前驱体溶液FAPbI3(掺杂7wt％的Rhodamine B)。
在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线1经过反射镜片，使反射的光线照射在钙钛矿探测器上，改变螺线管电压控制镜片旋转，使光束以不同的角度入射，测试结果如表2所示。
表2光敏层为FAPbI3(300nm)时不同角度入射下的光谱响应
Figure GDA0003628335620000071
实施例3
在实施例二的基础上，改变钙钛矿前驱体溶液FAPbI3的浓度为0.8mol/L，并控制转速为6000rpm，时间为30s。在旋涂23s时用300μl异丙醇溶液进行反溶剂处理，然后置于热台上进行退火，在110℃下保温退火1h，待钙钛矿晶体完全结晶后，转移至玻璃培养皿中冷却。
在标准测试条件下，从光源处引出光束，使入射光线1经过反射镜片，使反射的光线照射在钙钛矿探测器上，改变螺线管电压控制镜片旋转，使光束以不同的角度入射，测试结果如表3所示。
表3光敏层为FAPbI3(200nm)时不同角度入射下的光谱响应
Figure GDA0003628335620000072
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员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)

1.一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：所述光电探测器包括三个模块，分别为光路调控装置，钙钛矿光电探测器和TFT背板；其中光路调控装置由反射单元和外部控制单元组成，外部控制单元通过磁场或电场的变化控制反射单元自由转动、使反射单元将光源光线以不同的角度折射到钙钛矿光电探测器上，作为入射光线。
2.根据权利要求1所述的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：所述外部控制单元通过电场的变化控制反射单元自由转动时，外部控制单元采用驱动电路、反射单元采用DMD芯片，所述DMD芯片包括0.33英寸、0.47英寸。
3.根据权利要求1所述的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：所述外部控制单元通过磁场的变化控制反射单元自由转动时，外部控制单元为磁场发生装置、包括通电螺线管，反射单元采用磁化的反射镜片；
反射镜片的磁化方式包括以下几种方式：
方式一：通过在镜片的背面涂敷一层软磁材料的磁粉；
方式二：通过在镜片的背面固定一层软磁材料的金属薄片。
4.根据权利要求1所述的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：所述钙钛矿光电探测器结构自上而下依次为玻璃基板、透明导电电极层、空穴传输层、钙钛矿敏感层、电子传输层、空穴阻挡层和金属电极层。
5.根据权利要求4所述的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：所述钙钛矿敏感层的厚度为200-300nm、钙钛矿敏感层的能带差为0.1-1eV，材料组分包括：
材料1：化学式为ABM3的典型卤素钙钛矿材料；
材料2：化学式为ABM1 x'M2 3-x'的卤素替代固溶体钙钛矿材料，其中的取值范围为0＜x'＜3；
材料3：化学式为A1 xA2 1-xBM的一价阳离子替代的钙钛矿材料，其中x的取值范围为0＜x＜1；
材料4：化学式为AB1 xB2 1-xM的金属替代固溶体钙钛矿材料；其中x的取值范围为0＜x＜1；
材料5：二维钙钛矿材料，包括缺陷型二维钙钛矿；
材料6：上述5类钙钛矿材料中几种材料的混合物。
6.根据权利要求4所述的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：所述玻璃基板包括柔性衬底或者刚性衬底。
7.根据权利要求4所述的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：通过将Rhodamine B掺杂到钙钛矿里面配成混合溶液，将钙钛矿活性层旋涂为厚膜。
8.根据权利要求1所述的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：所述TFT背板由多层不同形状的薄膜叠加而成，包括栅极层、绝缘层、半导体层、源漏电极层、钝化层。
9.根据权利要求8所述的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：所述TFT背板位于钙钛矿光电探测器底部，包括与钙钛矿光电探测器连接的接口。
10.根据权利要求4所述的一种基于光路调控实现光谱可调的光电探测器，其特征在于：包括以下制备方法，
S1：在带有透明导电电极层的玻璃基板上旋涂一层空穴传输层PEDOT:PSS，退火备用；
S2：称量一定摩尔比的甲胺铅碘和甲胺铅溴配制所需卤化物混合比例的钙钛矿前驱体溶液；
S3：将配好的钙钛矿前躯体溶液涂于空穴传输层上；
S4：在钙钛矿敏感层上旋涂一层电子传输层PC61BM；
S5：在电子传输层PC61BM上依次蒸镀空穴阻挡层和金属电极层；
S6：将制备好的钙钛矿光电探测器，光路调控装置和TFT背板，整合在支撑装置上，其中钙钛矿光电探测器的金属电极和透明导电电极与TFT背板模块的源漏极相连，玻璃基板面朝上，光源通过光路调控装置中的反射单元透过玻璃基板照射在钙钛矿光电探测器上。
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