JP2020113542A - 光電子デバイス及び使用方法 - Google Patents
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Abstract
Description
光電子素子は、複数の量子ドットまたは複数のナノロッドを備え、
回路は、光電子素子を発光させる有効順バイアス電圧を回路が提供する構成と、光電子素子が感応する光が光電子素子に当たるときに、光電素子に光電流を発生することができるようにさせる有効逆バイアス電圧を回路が提供する構成との間で、光電子素子をスイッチングすることができるように構成される。
(a)発光光電子素子と光電流発生光電子素子とを備える光電子デバイスを提供することであって、
デバイスは、発光光電子素子によって発せられた光の一部が光電子デバイスを出るように構成されており、
デバイスは、光電子デバイスを出て、外部物体によって散乱または反射される発光光電子素子によって発せられた光が、光電流発生光電子素子に当たることができるように構成されている、提供することと、
(b)発光光電子素子に有効順バイアス電圧を印加し、光電流発生光電子素子に有効逆バイアス電圧を印加することと、
(c)光を散乱または反射することができる物体またはそれらの組み合わせを、光が出てくる光電子デバイスの表面上の点から0.1〜5mmの距離に移動させ、発光光電素子によって発せられた光を反射または散乱させて、光が光電流発生光電子素子上に落ちるようにさせることと、を含む。
(a)光電子デバイスの外部で発生する外光が光電子デバイス上に落ちる環境において、光電流発生光電子素子を備える光電子デバイスを提供すること、
(b)光電流発生光電子素子に有効逆バイアス電圧を印加することであって、ここで適切な波長及び十分な強度の外光が光電流発生光電子素子に光電流を発生させる、印加することと、
(c)光電子デバイスの表面上の点から0.1〜5mmの距離に不透明物体を移動することであって、不透明物体に十分な外光を遮断させて、光電流発生光電子素子によって発生される光電流に検出可能な低減を生じさせる、移動することと、を含む。
(a)光電子素子のアレイ及び各光電子素子に接続された回路を備えるデバイスを提供することであって、
光電子素子は、複数の量子ドットまたは複数のナノロッドを含み、
回路は、光電子素子を発光させる有効順バイアス電圧を回路が提供する構成と、光電子素子が感応する光が光電子素子に当たるときに、光電素子に光電流を発生することができるようにさせる有効逆バイアス電圧を回路が提供する構成との間で、各光電子素子を独立してスイッチングすることができるように構成される、提供することと、
(b)2つ以上の光電子素子に有効逆バイアスを印加すること、
(c)個々の有効逆バイアスされた光電子素子から光電流の開始を検出し、個々の光電子素子のバイアスを有効順バイアスに変化させることによって光電流に応答する回路を提供することと、を含む。
には、互いに分離して電流を形成する。
子は、本明細書では、「検出モード」または「PDモード」にあると言われる。
ボルトの絶対逆バイアスまで)である。光電流が発生される場合、それは好ましくは電流検出器20によって検出され、追加の処理回路(図示せず)に任意選択的に接続される。
素及び水素以外の原子を含む化学基、例えばカルボキシル基を介して無機半導体の最も外側の表面に付着する。
キャップに接触する点は、I型または準II型バンドアライメントを有する。
たは吸収層の上に位置することが好ましいスルーホール107、108、109、及び110を有する。スルーホール107、108、109、及び110は、任意の固体材料の空の部分であってもよく、または1つ以上の透明な固体を含んでもよい。
光電流を発生し、コンピュータまたはスマートフォンは、「ボタン」上の「タッチ」に応答する。外部物体を検出する反射法では、1つ以上の有効順バイアス素子によって発せられた光は、外部物体によって反射または散乱された後に、1つ以上の有効逆バイアス素子によって、理想的には2つ以上の逆バイアス素子によって検出され得ることが企図されている。
D)のような特定の光源の検出用である。特定の光源は、ハンドヘルド光源、例えばレーザーポインター、ハンドヘルドLED、ライトワンド、照明された先端を有するスタイラス、おもちゃライトガン、照明されたワンド、または照明された手袋、であってもよい。任意の特定の光源は、発光強度対光学周波数の発光スペクトルを有する。特定の光源によって発せられた最大光強度を与える光周波数は、特定の光源の特性周波数vsである。
数が1000Hzを超えて増加すると、光電流信号は約5dB増加し、周波数が増加し続けると、光電流信号は急激に減少した。光電流が10Hzで得られた信号より3dB下がった(すなわち、観察された光電流が10Hzでの光電流値の0.707倍以下の値に低下した)変調器周波数をf3dbと名付けた。PDの応答時間は1/f3dbである。活性化レーザー光の2つの異なる波長が使用された:730nm及び400nm。
反応は、N2雰囲気下の標準シュレンクライン(Schlenk line)で行った。工業用トリオクチルホスフィンオキシド(TOPO)(90%)、工業用トリオクチルホスフィン(TOP)(90%)、工業用オクチルアミン(OA)(90%)、工業用トリオクチルアミン(TOA)(90%)、工業用オクタデセン(ODE)(90%)、CdO(99.5%)、酢酸亜鉛(99.99%)、S粉末(99.998%)、Se粉末(99.99%)は、シグマアルドリッチ(Sigma Aldrich)から入手した。ACSグレードのクロロホルム、及びメタノールは、フィッシャーサイエンティフィック(Fischer Scientific)から入手した。すべての化学物質は、受け取ったまま使用した。
赤色CdSe/CdS/ZnSは、確立された方法と同様の様態で調製した。[Lim、J.他、Preparation of highly luminescent nanocrystals and their application to light−emitting diodes. Adv.Mater.19、1927−1932、2007]。200mlの三ツ口丸底フラスコ中の1.6mmolのCdO粉末(0.206g)、6.4mmolのOA及び40mLのTOAを、真空下150℃で30分間脱気した。次いで、溶液をN2雰囲気下で300℃に加熱した。300℃で、予めグローブボックス中で調製した0.4mLの1.0M TOP:SeをCd含有反応混合物に迅速に注入した。45秒後、6mlのTOAに溶解した1.2mmolのn−オクタンチオールを1mL min−1の速度でシリンジポンプを介してゆっくり注入した。次いで、反応混合物を300℃でさらに30分間攪拌した。同時に、TOAに溶解した16mlの0.25M 亜鉛オレイン酸溶液を酢酸亜鉛を含む別の反応フラスコ中で調製した。亜鉛オレイン酸溶液をCdSe反応フラスコ中にゆっくり注入し、続けて6mlのTOAに溶解した6.4mmolのn−オクタンチオールを1mL min−1の速度でシリンジポンプを使用して注入した。
緑色CdSe/ZnS(勾配組成シェル)量子ドットを、確立された方法と同様の様態で調製した。[Bae,W.他、Highly Efficient Green−Light−Emitting Diodes Based on CdSe/ZnS Quantum Dots with a Chemical−Composition Gradient,Adv. Mater.21、1690−1694、2009]0.2mmolのCdO、4mmolの酢酸亜鉛、4mmolのOA及び15mlのODEを100mlの3口丸底フラスコ内で調製し、真空下120℃で30分間脱気した。溶液をN2雰囲気下で300℃に加熱した。300℃で、0.1mmolのSe及び2mlのTOPに溶解した3.5mmolのSeをシリンジを使用して反応フラスコに迅速に注入した。次いで、空気ジェットによって急速に冷却する前に、反応溶液を300℃でさらに10分間撹拌した。
スピンコートされたQD LED/光検出器(PD)のために、デバイスはITOコートされたガラス基板(シート抵抗15〜25Ω/□)上に製作された。予めパターン化さ
れたITO基板をアセトンとイソプロパノールで連続して洗浄し、次いでUV−オゾンで15分間処理した。PEDOT:PSS(Clevios(商標)P VP AI 4083)を4000rpmでITO上にスピンコートし、空気中120℃で5分間、グローブボックス内180℃で15分間焼成した。その後、TFB(H.W.Sands Corp.)を、3000rpmでm−キシレン(5mg/ml)を使用してスピンコートし、続いてグローブボックス内180℃で30分間焼成した。クロロホルムとメタノール混合物(体積比1:1)で2回洗浄した後、最終的にクロロホルム溶液(〜30mg/ml)内でQDを分散させ、2000rpmでTFB層の頂部上にスピンキャストし、その後引き続いて180℃で30分間アニールした。
図10に実験結果を示す。グラフは赤色QD PDの暗電流を示す。ステップ1では、赤色QD PDのみをオンにするために、有効逆バイアスが赤色QDピクセルにのみ印加されている。−2Vでは、赤色QD PDは約4マイクロアンペアの電流を有する。ステップ2では、緑色QD LEDをオンにするために、緑色QDピクセルに有効順バイアスが印加される。QDピクセルは光学的に絶縁されているため、赤色QD PDの電流はステップ1と同じ4マイクロアンペアである。ステップ3では、4インチのシリコンウェハを双方向性タッチスクリーンの5mm前に置く。この時点で、赤色PDの電流は30マイクロアンペアであり、これは8倍大きい。これは、緑色QD LEDからの緑色光がシリコンウェハの表面から反射し、赤色QD PDに当たって電流がさらに増加するためである。結論として、双方向性タッチスクリーンは、その前5mmの位置にあるシリコンウェハを検出することができた。
CdSナノロッド(NR)種の合成:最初に50mLの三ツ口丸底フラスコ中の2.0gのトリオクチルホスフィンオキシド(TOPO)、0.67gのオクタデシルホスホン酸(ODPA)及び0.128gのCdOを真空下150℃で30分間脱気し、次いでAr下で370℃に加熱した。Cd−ODPA複合体が370℃で形成された後、1.5mLのトリオクチルホスフィン(TOP)に溶解した16mgのSをシリンジでフラスコに
迅速に加えた。結果として、反応混合物を330℃に急冷し、CdSの成長を行った。15分後、室温まで冷却することによりCdS NRの成長を停止させた。最終溶液をクロロホルムに溶解し、2000rpmで遠心分離した。沈殿物をクロロホルムに再溶解し、次のステップのための溶液として調製した。CdS NRのこの溶液は、100倍希釈したときにCdSバンド端吸収ピークで光学濃度が0.1(1cm光路長に対して)であった。
個々の光電子素子の特性を上記のようにして決定した。以下の表において、ナノロッドを含む個々の光電子素子は「NR−LED」と呼ばれ、量子ドットを含む個々の光電子素子は「QD−LED」と呼ばれる。以下の参考文献に掲載されている結果に従って、NR−LED及びQD−LEDを、吸収/発光材料が有機化合物または有機化合物の混合物である様々な発光ダイオード(LED)(有機発光ダイオード、またはOLED)と比較した。
参考文献2.Integrated organic blue led and visible−blind uv photodetector,Journal of Physical Chemistry C115,2462(2011)
参考文献3.High performance organic integrat
ed device with ultraviolet photodetective and electroluminescent properties consisting of a charge−transfer−featured naphthalimide derivative,Applied Physics Letters 105,063303(2014)
参考文献4.High performance organic ultraviolet photodetector with efficient electroluminescencerealized by a thermally activated delayed fluorescence emitter,Applied Physics Letters 107,043303(2015)
参考文献5.High Efficiency and Optical Anisotropy in Double−Heterojuntion Nanorod Light−Emitting Diodes,ACS Nano 9,878(2015)
個々のPDは、上記のNRを使用して作製した。応答時間は上記のように測定した。結果は、以下の通りであった。
4×4正方形アレイ内の16個の光電子素子のアレイを以下のように製作した。図11A〜図11Eに示すように、デバイスを、ガラス基板上のパターン形成された酸化インジウムスズ(ITO)上に製作した。PEDOT:PSS(Clevios P VP AI 4083)導電性ポリマーをITO上に4000rpmでコートし、空気中120℃で5分間アニールした。デバイスをグローブボックスに移し、180℃で20分間アニールした。次に、m−キシレンに溶解したTFB/F4TCNQ混合物の7mg/mL溶液を3000rpmでスピンコートし、180℃で30分間アニールした。1:1の体積比のクロロホルムとメタノールで2回洗浄した後、クロロホルム中でナノロッド(上記のように合成)(60mg/mL)を2000rpmでスピンコートし、引き続き180℃で30分間アニールした。ブタノール中のZnOの30mg/mL溶液を次に3000rpmでスピンコートし、100℃で30分間アニールした。次に、100nmの厚さのAlカソードを電子ビーム蒸着技術によって堆積させた。グローブボックス内でエポキシ(NOA86)を使用して、デバイスをカバーガラスでカプセル封入した。
特定の光源は緑色レーザーであった。最初に、すべての16の光電子素子を有効逆バイアスに入れた。関連する回路は、特定の光電子素子の電流検出器が電流を検出したときに、バイアスが有効逆バイアスから有効順バイアスに反転し、有効逆バイアスに逆戻りする前に1秒間有効順バイアスに留まるように構成された。レーザーをオンにして光電子素子の1つに狙いをつけると、その素子は黄色光で輝き始め、再び暗くなる前に1秒間光ったままで留まった。ペンが1つの光電子素子から次の光電子素子へと移動するにつれて、レーザー光が照射された光電子素子は輝き、1秒間光っていた。ペンの動きは、例えば4つの光電子素子のうちの3つの三角形のようないくつかのパターンをトレースし、光電子素子のアレイは、暗い状態に戻る前に1秒間同じパターンで発光した。
Claims (4)
- 光電子デバイスに近接した物体の存在を検出する方法であって、
(a)光電流発生光電子素子を備える光電子デバイスを、前記光電子デバイスの外部で発生する外光が前記光電子デバイス上に落ちる環境において提供することと、
(b)前記光電流発生光電子素子に有効逆バイアス電圧を印加することであって、適切な波長及び十分な強度の前記外光が前記光電流発生光電子素子に光電流を発生させる、印加することと、
(c)前記光電子デバイスの表面上の点から0.1〜5mmの距離に不透明物体を移動することであって、前記不透明物体に十分な前記外光を遮断させて、前記光電流発生光電子素子によって発生される前記光電流に検出可能な低減を生じさせる、移動することと、を含む、方法。 - 前記光電子デバイスが、量子ドット及びナノロッドからなる群から選択される材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記光電子デバイスが、ナノロッドを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記物体が、スタイラスまたは人間の身体の一部分である、請求項1に記載の方法。
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