CN113937225B - 各向异性自驱动有机/无机光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及各向异性自驱动有机/无机光电探测器的制备方法，包括如下步骤：1，配制DPP‑DTT氯苯溶液。2,将DPP‑DTT定向直写在SrTiO3单晶薄膜上。3,分别在DPP‑DTT和SrTiO3表面沿平行和垂直方向蒸镀电极。4,对DPP‑DTT/SrTiO3光电探测器的自驱动性能进行测试。本发明首次公开了有机半导体DPP‑DTT的各项异性电学性能使DPP‑DTT/SrTiO3光电探测器具有各项异性的自驱动光电性能。该实验方法简单、高效、成本低，并且DPP‑DTT/SrTiO3光电探测器具有显著的各项异性自驱动性能，拓展了有机半导体的各项异性在有机无机复合光电器件领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，更具体的涉及一种各向异性自驱动有机/无机光电探测器及其制备方法。
背景技术
有机/无机异质结光电器件结合了无机材料优异的本征载流子迁移率和有机材料的可调功能性和易形成性，为有机/无机复合器件的研究提供了一种很有前途的方法。近年来，p-型导电有机聚合物与n-型无机半导体(如Si、CdSe、TiO2、ZnO和Ga2O3)的复合被有效地制备为自驱动光电探测器。然而，这些自驱动光电探测器加工工艺严格，导致成本高、加工复杂，限制其实际应用。因此，一种简单有效的制备高质量有机/无机复合器件的技术非常重要。
有机聚合物半导体的各向异性是目前研究的热点之一。利用有机半导体的各向异性来实现光电探测器自驱动的各向异性是一个巨大的挑战。DPP-DTT是一种高迁移率双极性聚合物，允许电子和空穴载流子实现约1cm2 V-1s-1的高载流子迁移率，并具有良好空气稳定性。采用直接写入法将有机聚合物半导体DPP-DTT定向写入SrTiO3表面，构筑DPP-DTT/SrTiO3异质结光电探测器，该器件具有显著的各向异性自驱动性能。然而目前为止，还没有公开报道，将有机半导体的各向异性应用于研究有机-无机光电探测器的各向异性自驱动性能。
发明内容
为了将有机聚合物半导体的各向异性电学性能应用于光电探测器的各向异性自驱动性能方面，本发明提供了一种构筑有机无机光电探测器各项异性自驱动性能的普适方法。本发明制备工艺流程简单、成本低、将在有机无机复合各向异性光电器件方面具有重要的理论价值，并在新型光电子器件方面具有巨大的实际应用价值。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种各向异性自驱动有机/无机光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：配制有机聚合物半导体DPP-DTT poly[2,5-(2-octyldodecyl)-3,6-diketopyrrolopyrrole-alt-5,5-(2,5-di(thien-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)]的氯苯溶液；
步骤(2)：将DPP-DTT定向直写在SrTiO3单晶薄膜上；
步骤(3)：分别在DPP-DTT和SrTiO3表面蒸镀电极；
步骤(4)：对DPP-DTT/SrTiO3光电探测器的平行和垂直方向的自驱动性能进行测试。
其中步骤(1)所述，将有机聚合物半导体DPP-DTT溶解于氯苯中，然后搅拌过夜，使其形成浓度为1mg/mL的均匀溶液。
其中步骤(2)所述，将DPP-DTT溶液注入微移液管中，由运动控制台控制微移液管在衬底上定向直写在SrTiO3半导体表面，直接写入的速度为20μm s-1。
其中步骤(3)所述，通过硬掩模版分别在DPP-DTT薄膜和SrTiO3薄膜真空热蒸发沉积80nm铝，形成垂直和平行DPP-DTT方向的有效照射区域0.05cm2的两对电极。
其中步骤(4)所述，通过对DPP-DTT/SrTiO3光电探测器的性能进行测试，结果显示该器件具有显著的各向异性自驱动的性能。
本发明具有优异的通用性，可以采用单晶GaN薄膜替代SrTiO3单晶薄膜制备各向异性自驱动有机/无机光电探测器，实验结果显示平行DPP-DTT/GaN器件的光电流(4.0nA)和开关比(200)远高于垂直DPP-DTT/GaN器件的光电流和开光比(0.13nA和50)。
通过直写方法制备的DPP-DTT具有各向异性的电学性能，并对其进行表征。将具有各向异性的DPP-DTT定向直写在SrTiO3表面，得到p-DPP-DTT/n-SrTiO3异质结光电探测器。通过对器件性能进行测试。DPP-DTT/SrTiO3探测器具有显著的各向异性自驱动特性。
本发明首次使有机半导体的各向异性电学性能实现有机/无机光电探测器的各项异性自驱动性能，其中器件平行方向的光电流显著高于垂直方向的光电流，本发明具有简单可行，成本低廉，普适性等突出优点。
附图说明
图1为实施例DPP-DTT的扫描电子显微镜(SEM)图片，图1中a为直接书写DPP-DTT的低倍SEM图、b为直接书写DPP-DTT的中倍SEM图、c为旋涂DPP-DTT的SEM图，d为直接书写DPP-DTT的高倍SEM图；
图2为实施例DPP-DTT的各项异性电学性能测试，图中曲线从上往下依次为平行方向DPP-DTT的电学性能，垂直方向DPP-DTT的电学性能，旋涂DPP-DTT的电学性能，插图为器件结构示意图；
图3为实施例DPP-DTT/SrTiO3光电探测器的过程结构示意图；(a)DPP-DTT在SrTiO3衬底上直接书写示意图，(b)样品相对于入射光0°时DPP-DTT的偏光显微镜(POM)图，(c)样品相对于入射光45°时DPP-DTT的POM图；
图4为实施例DPP-DTT/SrTiO3(DPP-DTT/STO)器件的各向异性光电性能，∥DPP-DTT/SrTiO3与⊥DPP-DTT/SrTiO3器件性能对比:其中(a)器件的I–V图；(b)器件的I–t图；(c)∥DPP-DTT/STO器件在零伏下I–t图，(d)⊥DPP-DTT/STO器件在零伏下I–t图。
图5实施例DPP-DTT/GaN器件零伏下的各向异性光电性能，∥DPP-DTT/GaN与⊥DPP-DTT/GaN器件各项异性光电性能对比:(a)器件的I–V图；(b)器件零伏下的I–t图。
具体实施方式
实施例1
(1)配制DPP-DTT氯苯溶液；将有机聚合物半导体DPP-DTT溶解于氯苯中，然后搅拌过夜，使其形成浓度为1mg/ml的均匀溶液。
(2)将DPP-DTT溶液注入微量移液管，并固定在高精度运动控制台，直接在SrTiO3单晶薄膜上定向直写高度有序的DPP-DTT溶液,即在SrTiO3单晶薄膜上形成DPP-DTT薄膜，直接写入的速度为20μm s-1。并对DPP-DTT薄膜进行扫描电子显微镜表征(图1)和各向异性电学性能测试(图2)。
图1显示了不同放大倍数的DPP-DTT膜的SEM图像。如图1a所示，直接写入的样品在基板上明显可见。图1b表明DPP-DTT膜表面光滑致密。随着放大倍数的进一步增大，DPP-DTT薄膜的结晶性也得到了进一步的证实。作为比较，图1c表示通过旋涂法直接沉积在衬底上的DPP-DTT膜，并且DPP-DTT膜是非晶形结构。从图1d可以看出，直写DPP-DTT薄膜由无数的小颗粒组成，结晶性好，致密性好，密度高。DPP-DTT膜表面无明显裂纹。结果表明，通过简单的直接写入过程，成功地制备了具有良好结晶性的高取向DPP-DTT薄膜。因此，DPP-DTT薄膜可以直接写在SrTiO3表面来构建器件。由于DPP-DTT薄膜具有简单的器件结构和低成本的制备工艺，为各种器件及半导体材料的集成提供了一个很有前景的平台。
图2表明DPP-DTT层沉积在具有无序、垂直和平行结构的Si衬底(SiO2介电层)上的三个器件的典型电学曲线。如图2所示，聚合物半导体DPP-DTT膜通过直接写入沉积在硅衬底上，用热真空蒸发法在半导体薄膜上沉积电极，形成源极和漏极。此外，旋涂法制备的各向同性半导体薄膜作为对比。结果表明各向异性生长可以导致各向异性的电学性能。当源极和漏极与DPP-DTT的生长方向平行时,器件的最高迁移率为0.85cm2v-1s-1，最大通量比为105，而旋涂时器件的电性能最差(迁移率为0.11cm2v-1s-1)。对于源极和漏极垂直于DPP-DTT薄膜各向异性生长的垂直器件结构，载流子迁移率为0.18cm2v-1s-1。导电聚合物∥DPP-DTT的迁移率远高于传统的⊥DPP-DTT通过直接写入方法的DPP-DTT。在其他同等条件下∥DPT/STO器件具有更高的电子传输效率。因此∥DPT/STO-PD的光电流和开路电压均高于⊥DPT/STO器件。
(3)通过硬掩模版分别在DPP-DTT薄膜和SrTiO3薄膜上沿平行和垂直DPP-DTT方向真空热蒸发沉积80nm铝(有效照射区域0.05cm2)的电极形成对电极，图3为DPP-DTT/SrTiO3过程结构示意图。
(4)对DPP-DTT/SrTiO3器件各向异性的自驱动光电性能测试，结果表明该器件在3V和0V偏压下的具有各向异性的性能(图4)。
在零偏压条件下，∥DPP-DTT/SrTiO3光电探测器的光电流(300pA)远高于⊥DPP-DTT/SrTiO3光电探测器的光电流(45pA)。
实施例2方法具有通用性示例
(1)配制DPP-DTT氯苯溶液；将有机聚合物半导体DPP-DTT溶解于氯苯中，然后搅拌过夜，使其成为浓度为1mg/mL的均匀溶液。
(2)将DPP-DTT溶液注入微量移液管，并固定在高精度运动控制台，直接在单晶GaN薄膜上定向直写高度有序DPP-DTT薄膜，直接写入的速度为20μm s-1。
(3)通过硬掩模版分别在DPP-DTT薄膜和GaN薄膜上沿平行和垂直DPP-DTT方向真空热蒸发沉积80nm的铝电极。
(4)对DPP-DTT/GaN光电探测器的各向异性自驱动光电性能测试，结果显示该器件在零伏偏压下具有各向异性的自驱动性能。如图5所示，∥DPP-DTT/GaN器件的光电流(4.0nA)和开关比(200)远高于⊥DPP-DTT/GaN器件的光电流和开光比(0.13nA和50)。
Claims (4)
1.一种各向异性自驱动有机/无机光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤（1）：配制有机聚合物半导体DPP-DTT的氯苯溶液；
步骤（2）：将DPP-DTT定向直写在SrTiO3单晶薄膜上；
步骤（3）：分别在DPP-DTT和SrTiO3表面蒸镀电极；
步骤（4）：对DPP-DTT/SrTiO3光电探测器的平行和垂直方向的自驱动性能进行测试，即分别对获得的平行和垂直方向的DPP-DTT/SrTiO3光电探测器性能进行测试；
其中步骤（3）所述，通过硬掩模版分别在DPP-DTT薄膜和SrTiO3薄膜真空热蒸发沉积80nm铝，形成垂直和平行DPP-DTT方向的0.5×0.5mm的两对电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中将有机聚合物半导体DPP-DTT溶解于氯苯中，然后搅拌过夜，使其形成浓度为1mg/ml的均匀溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述步骤（2）中将DPP-DTT溶液注入微移液管中，由运动控制台控制微移液管在衬底上定向直写在SrTiO3半导体表面，直接写入的速度为20μm s-1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用单晶GaN薄膜替代SrTiO3单晶薄膜制备各向异性自驱动有机/无机光电探测器。
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