CN116384293A - 一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，属于半导体光电应用领域。包括以下步骤：1)构建OLED光发射和紫外光入射的光学仿真模型；2)设计合成发光‑紫外光探测的双功能有机半导体材料；3)光敏感层的界面工程和双功能机理设计；4)高性能双功能光电器件的构建实现，本发明建立一种新型的同时具有微纳结构和紫外光增透膜的复合型光学结构，采用D基团与A基团的优化搭配，和延伸分子的共轭体系的创新性的分子设计策略，从根本上解决激子发光和电荷分离竞争的问题，通过构建新型的双功能激子调控界面层，实现发光效率提高与探测性能增强并举。

Description

一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件与集成技术领域，尤其涉及一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法。

背景技术

近年来，随着电子信息技术尤其是新型显示与集成电路产业的飞速发展，对有机半导体光电子器件的智能化、集成化、轻便化、柔性化、以及人性化提出了崭新的需求。在此技术产业和需求背景下，设计开发具有多功能的有机半导体光电子材料及器件集成技术成为有机半导体光电子器件领域新的研究热点，其中，以具有信息显示(新型显示领域)和光电探测(包括紫外(Ultraviolet,UV)探测、用于医疗健康、军事应用)多功能的OLED显示和紫外探测器件(以下简写为OLED-UVOPD)为代表。OLED-UVOPD器件，是指可实现电光转换(如OLED)和光电转换(如UVOPD)的有机半导体光电子器件，可用于新型显示、可穿戴智能终端、便携式环境监测设备、健康医疗设备、导弹尾烟探测、智慧士兵等信息设备和武器装备的相关领域。OLED-UVOPD双功能光电子器件技术的研发，作为有机半导体光电子器件与集成技术的研究前沿，目前虽然处于起步阶段。但是，由于其具有潜在的巨大市场开发价值和应用前景，受到各界持续而广泛的关注。

因此，开展柔性OLED-UVOPD双功能光电子器件技术的应用基础研究，尤其是，新型高效有机半导体发光材料(同时兼作紫外探测材料)的设计合成以及双功能光电子器件的构建实现，不仅可以丰富高效OLED发光有机半导体材料的体系和内涵，而且能够促进OLED显示、健康医疗、智慧士兵等装备的更新换代和相关柔性智能产品的产业化转化，具有深远的科学研究价值和现实的社会经济效益，目前现有技术中鲜有上述构建光电器件的实际应用进展的报告。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，本发明重点给出了光电-电光转换的有机半导体材料设计、高性能器件的结构构筑等关键技术问题，调控紫外波段的激子分离与载流子复合的平衡，实现高发光效率和高紫外探测率的柔性双功能光电子器件。

本发明技术方案为：一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，包括以下步骤：1)构建OLED光发射和紫外光入射的光学仿真模型；2)设计合成发光-紫外光探测的双功能有机半导体材料；3)光敏感层的界面工程和双功能机理设计；4)高性能双功能光电器件的构建实现。

进一步，步骤1)的具体过程为：

1.1，基于F-P光学微腔的理论，建立适用于柔性光电器件的光学仿真模型：

1.2，在柔性器件的发光层设定初始光源，其波长设定为可见光波段，接着采用有限元分析的方法，跟踪各个角度的出射光的光程和路径，得出柔性光电器件的光提取效率；

1.3，在器件外部设定初始光源，其波长设定为紫外光范围，接着采用有限元分析的方法，跟踪入射光的光程和路径，得出柔性光电器件的吸光效率的影响关系；

1.4，复合型光学结构设计为：使用溶液法研制SiO2：MgF2混合型紫外光增透膜，改进柔性衬底的折射率匹配，增强环境中的紫外光向器件中的透射率，与此同时，通过PDMS表面压印的技术，在柔性衬底的表面引入微纳结构，并将具有表面微结构的柔性衬底作为基础，从而将微结构引入活性层薄膜和金属电极；另外，在柔性衬底的另一表面也通过PDMS转印技术，引入一层具有微结构的出光辅助薄膜。

进一步，柔性光电器件的光学仿真模型包括：底发射型OLED-UVOPD器件和顶发射型OLED-UVOPD器件；前者采用的透明聚酰亚胺(PI)衬底，要求入射的紫外光波长大于360nm；后者采用了超薄金属电极和ALD蒸镀SiNx薄膜封装的顶发射层，入射的紫外光波长大于300nm。

进一步，步骤2)的具体过程为：

2.1，选用具有平面构型的多芳香环作为D基团和A基团，借助模拟计算软件，构建具有扭曲D-π-A构型的有机半导体材料的分子结构，为了保证该材料对紫外光(340nm-390nm)的响应，选取D基团与A基团遵循强弱搭配原则，保证二者间的电荷转移(CT)跃迁峰在紫外光(340nm-390nm)区域，合成与提纯目标产物；

2.2，通过以下三个途径调控材料的分子空间构型：1)选用乙烯基、乙炔键以及共轭芳香基的作为π桥基团连接D基团和A基团，调控二者的间隔距离(RD-A)；2)修饰D基团或A基团的芳香环，调控分子的空间位阻；3)改变D基团和A基团的连接方式，构建扭曲D-A、扭曲A-D-A、扭曲D-π-A、扭曲A-π-D-π-A的四种构型，通过改变连接位置，来调控分子的刚性程度，用于指导可实现发光-紫外光探测的双功能有机半导体材料的可控设计与制备。

进一步，步骤3)的具体过程为：

3.1，采用宽带隙有机半导体材料掺杂工艺，将具有高紫外光吸收效率的材料作为客体材料掺杂到具有高电荷传输性能的材料中，通过优化主体材料的掺杂比例，使光敏感层兼具高光电转化和高电荷传输效率；

3.2，研究器件中活性层/电荷传输层间的材料能级特性、界面特性、光场分布情况与器件性能之间的关系；

3.3，借助UPS对界面修饰后复合界面的HOMO和LUMO能级进行探究，了解电荷注入和传输过程中的能级势垒是否得到改善，制备单载流子器件，并通过空间电荷限制电流的方法分别计算器件中电子和空穴的迁移率，从而确认器件内载流子的平衡与否；

3.4，通过时间分辨光致发光(TRPL)测试界面工程对载流子提取能力的影响以及界面修饰对光敏感层表面缺陷态的钝化机制；

3.5，通过器件中光敏感层的电容-电压特性，并根据Mott-Schottky关系计算器件激子分离能力和DA异质结内建电场强度，通过AFM和SEM了解界面形貌特征，为光学和电学模型的建立提供准确的仿真参数。

进一步，步骤4)的具体过程为：

4.1，首先，为辅助实现激子发光和电荷分离区域的隔离，引入能级匹配、载流子迁移率匹配的材料进行综合优化，对光敏感层界面的电荷注入、传输、俘获和释放动力学进行分析，并通过界面改性来实现激子复合和分离的可控调控；

4.2，其次，分析正型、反型、底发射和顶发射结构对OLED-UVOPD器件的发光性能和紫外探测性能的影响，从而获得性能最佳的器件结构。

本发明的有益效果为：

光学模型的创新：建立一种新型的同时具有微纳结构和紫外光增透膜的复合型光学结构，同时提升OLED模式下的可见光发射率和光电探测模式下的紫外光入射效率，为提高柔性OLED-UVOPD双功能器件的光电性能奠定坚实的基础。

材料设计的创新：提出通过构建扭曲D-π-A分子构型的新型有机半导体材料体系，采用D基团与A基团的优化搭配，和延伸分子的共轭体系的创新性的分子设计策略，使其同时兼顾高效发光和有效紫外光探测的双功能特性，并最终实现其在柔性OLED-UVOPD器件应用。器件结构的创新：已报到的OLED器件和光电探测器件的结构均存在激子复合发光和激子分离区域重合度很高的问题，两者相互竞争导致OLED-UVOPD双功能器件的性能受限，而本发明拟构建的新型界面结构可将二者离域，从根本上解决激子发光和电荷分离竞争的问题。其创新之处为：构建新型的双功能激子调控界面层，将激子复合发光区域限定于发光层中心，将激子分离区域限定于紫外光分布最强的区域，实现发光效率提高与探测性能增强并举。

建立光学和电学仿真的理论模型，获得高效率的有机半导体材料体系，其荧光量子效率＞70％、紫外光电转换效率＞5％；柔性OLED-UVOPD双功能原理性器件的弯曲半径≤1cm、弯曲次数＞100次，发光量子效率＞5％、最大发光亮度＞5000cd/m2，在紫外光波段量子效率＞40％、探测率＞1012Jones；

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为底发射型和顶发射型OLED-UVOPD柔性双功能器件及光学仿真模型；

图2为基于表面微纳结构和紫外光增透膜复合光学薄膜示意图；

图3可实现发光-紫外光探测的双功能有机半导体材料的化学基团和基团分子构型图；

图4基于双功能材料的激子复合和电荷分离的单层结构图；

图5基于给体-受体界面和双功能发光层的复合型结构及其改进图；

图6基于给体-受体界面和双功能发光层的复合型结构及其改进图；

图7OLED-UVOPD分时工作模式示意图；

图8为本发明方案流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

1、构建OLED光发射和紫外光入射的光学仿真模型

基于F-P光学微腔的理论，建立适用于柔性光电器件的光学仿真模型，如图1所示。

柔性光电器件的光学仿真模型包括：底发射型OLED-UVOPD器件和顶发射型OLED-UVOPD器件。前者采用的透明聚酰亚胺(PI)衬底，要求入射的紫外光波长大于360nm，与无源驱动(PM)-OLED的技术兼容；后者采用了超薄金属电极和ALD蒸镀SiNx薄膜封装的顶发射层，入射的紫外光波长大于300nm即可，与有源驱动(AM)-OLED的技术兼容。在上述研究的基础上，结合表面微纳结构和紫外光增透膜的各自优点，制备具有表面微结构和紫外增透膜的复合型光学结构。

具体实施过程为：光学仿真模型包括柔性衬底、透明电极材料、主体材料、发光材料、光敏材料、电荷传输材料、金属电极材料、封装材料的光学性质和薄膜厚度等各种参数。光学仿真的过程为：在柔性器件的发光层设定初始光源，其波长设定为可见光波段，接着采用有限元分析的方法，跟踪各个角度的出射光的光程和路径，得出柔性光电器件的光提取效率；其次，在器件外部设定初始光源，其波长设定为紫外光范围，接着采用有限元分析的方法，跟踪入射光的光程和路径，得出柔性光电器件的吸光效率的影响关系。复合型光学结构的研究手段为：使用溶液法研制SiO2：MgF2混合型紫外光增透膜，改进柔性衬底的折射率匹配，增强环境中的紫外光向器件中的透射率，如图2所示。与此同时，通过PDMS表面压印的技术，在柔性衬底的表面引入微纳结构，并将具有表面微结构的柔性衬底作为基础，从而将微结构引入活性层薄膜和金属电极。另外，在柔性衬底的另一表面也通过PDMS转印技术，引入一层具有微结构的出光辅助薄膜。根据初步的光学仿真计算，此种结构对于OLED器件的光提取效率的要比单面微结构的提升度更加显著。

基于F-P光学微腔的理论建立适用于柔性光电器件的光学仿真模型是切实可行的。目前，对于分析刚性光电器件的建模已经很成熟，而使用有限元分析方法仿真器件中任意位置发光点的出光路径和出光效率已经成熟。对于紫外光入射的过程，使用有限元分析方法同样可以对入射光路径和活性层的吸光效率进行仿真和预估。本发明将在已建好的光学模型基础上，添加柔性衬底、功能材料和新研制的高效发光材料的折射率和消光系数，以及各个功能层的厚度等参数，即可获得包括底发射和顶发射器件的光学仿真结果。本发明功能层材料的折射率、消光系数等光学特性可以通过椭偏仪测试来获取，薄膜的厚度可以根据实际器件的各层厚度来确定。单独采用SiO2和MgF2薄膜来提高刚性和柔性衬底对环境光的透过率的研究工作已有诸多报告，同时，已报到的工作[Sol.Energy MaterSol.Cells,2019,200,110023]采用SiO2：MgF2复合薄膜可以进一步提高刚性玻璃衬底的透光性能，在特定波长最高可以为99％。因此，本发明将该技术引入柔性PI衬底并提升其紫外光透过率的方案是切实可行的。另一方面，已有的文献[Adv.Funct.Mater.,2015,25:2660]报道了采用单面以及双面的表面微纳结构，均可以提高电致发光的出射效率。虽然，目前尚未报道同时具有表面微纳结构和紫外光增透膜的复合光学结构的光学特性研究，但是根据现有的研究结果，将二者结合将是非常有意义的尝试。

表面微结构和紫外增透膜的复合型光学结构的设计和构建。该种结构不仅能发挥双面微纳结构的优势，提高电致发光的出射效率，提高器件的发光性能，又能对环境中的紫外光有更好的入射效率，提高OLED-UVOPD器件对紫外光的吸光效率和光电探测性能。这也是本发明的创新点之一。

2、设计合成可实现发光-紫外光探测的双功能有机半导体材料

围绕柔性OLED-UVOPD器件对有机半导体材料的要求，借助模拟计算软件，设计构建具有扭曲D-π-A构型的有机半导体材料，一方面要求其具有高的发光效率，另一方面要求其在紫外光区域的具有较强的吸收强度。设计与合成具有不同空间构型的双功能有机半导体材料，研究分子空间构型与光电转化特性间的关系规律，从而实现新型高性能材料的可控设计与制备。

具体实施过程为：选用如图3所示的具有平面构型的多芳香环作为D基团和A基团，借助模拟计算软件，构建具有扭曲D-π-A构型的有机半导体材料的分子结构，为了保证该材料对紫外光(340nm-390nm)的响应，选取D基团与A基团遵循强弱搭配原则，即强给电子能力的D基团与弱吸电子能力的A基团搭配，保证二者间的电荷转移(CT)跃迁峰在紫外光(340nm-390nm)区域，合成与提纯目标产物。表征其结构与各项性能：核磁共振动谱、元素分析和质谱手段表征产物的化学结构；采用溶液法或升华法培养化合物单晶，通过单晶X射线衍射测试，借助晶体结构软件解析，获得分子结构信息；通过测试材料荧光发射光谱、紫外-可见吸收光谱来表征其发光性能；采用循环伏安法表征材料的HOMO能级和LUMO能级；采用光电测量的飞跃时间法或单载流子器件，测试材料的载流子传输性能；采用原子力显微镜来表征材料的成膜性。

本发明拟通过以下三个途径调控材料的分子空间构型：1)选用乙烯基、乙炔键以及共轭芳香基的作为π桥基团连接D基团和A基团，调控二者的间隔距离(RD-A)；2)修饰D基团或A基团的芳香环，如引入烷基、烷氧基、苯基等，调控分子的空间位阻；3)改变D基团和A基团的连接方式，构建扭曲D-A、扭曲A-D-A、扭曲D-π-A、扭曲A-π-D-π-A的四种构型(见图3)，通过改变连接位置，来调控分子的刚性程度。通过对比分析研究，揭示材料分子空间构型与光电特性间的关系规律，用于指导可实现发光-紫外光探测的双功能有机半导体材料的可控设计与制备。

本发明拟设计合成的双功能有机半导体材料体系，在分子结构具有以下几个特性：1)分子结构扭曲D-π-A分子构型，其分子的HOMO和LUMO部分分离与部分重叠，在众多的文献报道中，具有这样分子构型的化合物具有高的EQE，可突破理论极限5％；2)分子由强给电子能力的D基团和弱吸电子能力的A基团构建，采用这种D基团与A基团搭配，可以保证其在紫外光区域具有较强的CT吸收，实现紫外光电响应；3)分子结构为扭曲D-π-A分子构型，一方面使HOMO和LUMO有效分离，通过D基团和A基团间以π基团连接可有效增加二者的间的距离，因而其激子束缚能(电子和空穴对结合能)弱，在紫外光激发下利于激子的解离产生光电流；4)分子设计中采用延长分子共轭长度的分子设计策略，如扭曲D-π-A分子构型、扭曲A-π-D-π-A分子构型，这样可以保证有机半导体材料成膜后，分子通过聚集，形成分子堆积，形成了载流子传输的通道，可以电子和空穴的传输，具有较高的载流子迁移率，可满足形成较高的光电流的需求；此外，材料分子设计中，烷基链修饰芳香环，在不损害材料特性的前提下，保证了较好的溶解性，可满足柔性OLED-UVOPD制备工艺要求。

3、光敏感层的界面工程和双功能机理设计

通过研究OLED-UVOPD双功能器件内部的激子动力学过程，将从发光层、给体-受体异质结、发光层-异质结界面综合调控三个方面开展。首先，基于本发明开发的双功能材料研究激子复合和电荷分离双功能层器件，实现单一发光层中实现电致发光和紫外光探测的功能。研究主体材料和掺杂发光材料的激子动力学研究与载流子行为，为构建高性能器件的提供高效率的发光层结构和光电响应结构，从而提高电致发光发光性能。其次，构建具有给体-受体异质结的激子分离界面调控层结构，具体的构成如下：主体-染料混合发光层(主体材料和染料均可作为电子给体)/电荷传输层(作为电子受体)。研究其中的激子分离界面内建电场对激子分离效率的影响。最后，为了发挥出该种复合结构的最大优势，还需精确调控紫外光入射的光场分布，将其最大光场区域调节至给体-受体异质结处，缩短光生激子传输距离和提高电荷分离效率。

具体实现过程为：图4是非掺杂发光层结构的研究方案，其优点在于制备方便，结构简单，重复性较好。另外，为了降低单重态和三重态激子浓度淬灭，可以进一步使用主客体掺杂发光层结构，采用宽带隙有机半导体材料掺杂工艺，将具有高紫外光吸收效率的材料作为客体材料掺杂到具有高电荷传输性能的材料中，通过优化主体材料的掺杂比例，使光敏感层兼具高光电转化和高电荷传输效率。研究器件中活性层/电荷传输层间的材料能级特性、界面特性、光场分布情况与器件性能之间的关系，该步骤采用的光学辅助优化方法，具体为：使用光学传输矩阵理论和有限元分析方法进行光学仿真模拟，获得器件的光场分布，从而优化各个功能层的厚度等结构参数。现有的传统器件结构存在激子复合和分离区域重合，造成能量损失大的问题。为此，在上述研究的基础上，在发光层中引入激子间隔层，进一步改进该复合型结构，如图5所示。激子间隔层材料需满足禁带宽度大于所用主体材料的能带宽度，包括但不限于mCP、UGH和CBP。与此同时，通过分析激子间隔层的发光在器件EL光谱中的占比，还能将其作为“探针”来深入研究和确定激子复合发光的准确位置。另外，借助UPS对界面修饰后复合界面的HOMO和LUMO能级进行探究，了解电荷注入和传输过程中的能级势垒是否得到改善；制备单载流子器件，并通过空间电荷限制电流的方法分别计算器件中电子和空穴的迁移率，从而确认器件内载流子的平衡与否；通过时间分辨光致发光(TRPL)测试界面工程对载流子提取能力的影响以及界面修饰对光敏感层表面缺陷态的钝化机制。研究器件中光敏感层的电容-电压特性，并根据Mott-Schottky关系计算器件激子分离能力和DA异质结内建电场强度；通过AFM和SEM了解界面形貌特征，为光学和电学模型的建立提供准确的仿真参数。

发明人已经在OLED器件中引入异质结电子传输层，利用D-A异质结吸收未耦合输出的可见光光能来提高OLED器件的发光效率，该工作证明了D-A异质结与OLED器件相结合的可行性；发明人在之前的研究工作中，采用不同HOMO、LUMO和三线态能级的材料作为激子调控层研究了激子调控对OLED-UVOPD器件性能的影响，结果表明激子调控层应避免和发光材料有激子能量传递过程，且与发光层在界面处存在激子分离区域，证明了激子调控层在实现激子复合和激子分离区域的隔离是可行的；另外，发明人通过在光敏感层中不同位置制备磷光超薄层，侦测了器件内载流子的复合区域，同时利用FDTD光学仿真模型可以精确仿真紫外光复合区域，这些研究确保了本发明中激子分离和激子复合区域标定，为激子分离和复合区域相隔离提供了技术背景和研究思路。

该步骤在发光层中引入激子间隔层，将激子复合发光区域和激子分离区域有效隔离，有效降低发光和电荷分离区域的重合，从而从根本上提高柔性OLED-UVOPD器件的发光和光电转换性能。

4、高性能双功能器件的构建实现

首先，为了辅助实现激子发光和电荷分离区域的隔离，需要引入能级匹配、载流子迁移率匹配的材料进行综合优化，更需要对光敏感层界面的电荷注入、传输、俘获和释放等动力学进行分析，并通过界面改性来实现激子复合和分离的可控调控。设计的器件结构预期达到的效果为：器件在正向偏压下激子复合区域被限制在发光层内，在反向偏压下紫外光的分布、吸收、电荷分离在D-A异质结界面附近。其次，分析正型、反型、底发射和顶发射等结构对OLED-UVOPD器件的发光性能和紫外探测性能的影响，从而获得性能最佳的器件结构。最后，进一步探索和优化OLED-UVOPD器件的分时工作模式，从而推动OLED-UVOPD器件的实际应用。

具体实现过程为：所用的辅助材料包括：空穴注入材料(m-MTDTA、CuPc)、电子注入材料(LiF、Al2O3)、空穴传输材料(NPB、NPD、TAPC、PEDOT：PSS)、电子传输材料(B3PyMPM、TPBi、Bphen、ZnO等)、空穴阻挡材料(如TCTA)和电子阻挡材料(如TmPyPB)。其中，在器件中可以引入具有宽带隙的金属氧化物作为双功能电荷传输层，利用金属氧化物吸收并转化入射的紫外光线，不仅可以实现紫外光探测功能和可见光发光功能的分离，更增加了整体器件的抗紫外衰老性能。同时，传统UVOPD器件结构难以同时满足无光照时的低暗电流和紫外光照时的高光电流，严重阻碍了光电探测性能的提升，因此，需要借助空穴阻挡材料和电子阻挡材料，来限制无光照时的反向注入的电流，其功能层结构和所用材料的能级示意图如图6-7所示。利用银纳米线、碳纳米管、石墨烯等可柔性电极制备柔性OLED-UVOPD器件。研究不同结构的柔性OLED-UVOPD器件在弯折过程中柔性电极的导电性、电致发光特性、光电探测性能的变化。另外，由于器件在OLED工作模式下是通过逐行扫描形式实现信息显示，因此处于未扫描状态的像素单元器件则可以在0V偏压或反向偏压下实现紫外图像探测。本项内容将进一步探索和优化OLED-UVOPD器件的分时工作模式，从而推动OLED-UVOPD器件的实际应用。

发明人利用石墨烯、有机小分子和聚合物对氧化锌电子传输层界面功函数进行调控，该方法有效降低了电子传输过程中的能级势垒，提高了有机光电子器件的电荷提取效率，这些研究证实了界面工程对提高器件光电转化效率的可行性；另外研究组利用MoOx/Au/MoOx透明电极作为阳极制备了透光度超过80％的透明OLED器件，该器件同样满足了紫外光从透明电极的入射，证明OLED-UVOPD器件是可以兼容顶发射器件结构的；同时，发明人通过自主研发并制备了多款柔性OLED显示屏，由于柔性OLED-UVOPD器件的结构与柔性OLED显示屏相兼容，确保了阵列化柔性器件制备的可行性。

该步骤研究的关键技术分为两部分，首先，对光敏感层界面的电荷注入、传输、俘获和释放等动力学进行分析，从而保证实现激子发光和电荷分离区域的隔离；其次，OLED-UVOPD器件的柔性结构设计开发，从而获得性能最优的柔性结构。

通过上述建立光学和电学仿真的理论模型，获得高效率的有机半导体材料体系，其荧光量子效率＞70％、紫外光电转换效率＞5％；柔性OLED-UVOPD双功能原理性器件的弯曲半径≤1cm、弯曲次数＞100次，发光量子效率＞5％、最大发光亮度＞5000cd/m2，在紫外光波段量子效率＞40％、探测率＞1012Jones。

图8为本发明方案流程框图。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建OLED光发射和紫外光入射的光学仿真模型；2)设计合成发光-紫外光探测的双功能有机半导体材料；3)光敏感层的界面工程和双功能机理设计；4)高性能双功能光电器件的构建实现。

2.根据权利要求1所述的一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，其特征在于，步骤1)的具体过程为：

1.1，基于F-P光学微腔的理论，建立适用于柔性光电器件的光学仿真模型：

1.2，在柔性器件的发光层设定初始光源，其波长设定为可见光波段，接着采用有限元分析的方法，跟踪各个角度的出射光的光程和路径，得出柔性光电器件的光提取效率；

1.3，在器件外部设定初始光源，其波长设定为紫外光范围，接着采用有限元分析的方法，跟踪入射光的光程和路径，得出柔性光电器件的吸光效率的影响关系；

1.4，复合型光学结构设计为：使用溶液法研制SiO2：MgF2混合型紫外光增透膜，改进柔性衬底的折射率匹配，增强环境中的紫外光向器件中的透射率，与此同时，通过PDMS表面压印的技术，在柔性衬底的表面引入微纳结构，并将具有表面微结构的柔性衬底作为基础，从而将微结构引入活性层薄膜和金属电极；另外，在柔性衬底的另一表面也通过PDMS转印技术，引入一层具有微结构的出光辅助薄膜。

3.根据权利要求2所述的一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，其特征在于，柔性光电器件的光学仿真模型包括：底发射型OLED-UVOPD器件和顶发射型OLED-UVOPD器件；前者采用的透明聚酰亚胺(PI)衬底，要求入射的紫外光波长大于360nm；后者采用了超薄金属电极和ALD蒸镀SiNx薄膜封装的顶发射层，入射的紫外光波长大于300nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，其特征在于，步骤2)的具体过程为：

2.1，选用具有平面构型的多芳香环作为D基团和A基团，借助模拟计算软件，构建具有扭曲D-π-A构型的有机半导体材料的分子结构，为了保证该材料对紫外光的响应，选取D基团与A基团遵循强弱搭配原则，保证二者间的电荷转移(CT)跃迁峰在紫外光区域，合成与提纯目标产物；

2.2，通过以下三个途径调控材料的分子空间构型：1)选用乙烯基、乙炔键以及共轭芳香基的作为π桥基团连接D基团和A基团，调控二者的间隔距离(RD-A)；2)修饰D基团或A基团的芳香环，调控分子的空间位阻；3)改变D基团和A基团的连接方式，构建扭曲D-A、扭曲A-D-A、扭曲D-π-A、扭曲A-π-D-π-A的四种构型，通过改变连接位置，来调控分子的刚性程度，用于指导可实现发光-紫外光探测的双功能有机半导体材料的可控设计与制备。

5.根据权利要求4所述的一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，其特征在于，步骤2.1中，紫外光范围在340nm-390nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，其特征在于，步骤3)的具体过程为：

3.1，采用宽带隙有机半导体材料掺杂工艺，将具有高紫外光吸收效率的材料作为客体材料掺杂到具有高电荷传输性能的材料中，通过优化主体材料的掺杂比例，使光敏感层兼具高光电转化和高电荷传输效率；

3.2，确定器件中活性层/电荷传输层间的材料能级特性、界面特性、光场分布情况与器件性能之间的关系；

3.3，借助UPS对界面修饰后复合界面的HOMO和LUMO能级进行探究，了解电荷注入和传输过程中的能级势垒是否得到改善，制备单载流子器件，并通过空间电荷限制电流的方法分别计算器件中电子和空穴的迁移率，从而确认器件内载流子的平衡与否；

3.4，通过时间分辨光致发光(TRPL)测试界面工程对载流子提取能力的影响以及界面修饰对光敏感层表面缺陷态的钝化机制；

3.5，通过器件中光敏感层的电容-电压特性，并根据Mott-Schottky关系计算器件激子分离能力和DA异质结内建电场强度，通过AFM和SEM了解界面形貌特征，为光学和电学模型的建立提供准确的仿真参数。

7.根据权利要求1所述的一种基于新型有机半导体光电材料构建光电器件的方法，其特征在于，步骤4)的具体过程为：

4.1，首先，为辅助实现激子发光和电荷分离区域的隔离，引入能级匹配、载流子迁移率匹配的材料进行综合优化，对光敏感层界面的电荷注入、传输、俘获和释放动力学进行分析，并通过界面改性来实现激子复合和分离的可控调控；

4.2，其次，分析正型、反型、底发射和顶发射结构对OLED-UVOPD器件的发光性能和紫外探测性能的影响，从而获得性能最佳的器件结构。

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