JP5551150B2 - 赤外線検出のための有機薄膜 - Google Patents
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Description
本出願は、その内容が参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれている2008年3月19日に出願した米国仮出願第61/070,093号および2008年5月15日に出願した米国仮出願第61/053,289号の優先権を主張するものである。
この発明は、助成DAAB07−01−D−G602、Army Night Vision and Electronic Sensors Directorateに基づく米国政府の援助によってなされた。この政府はこの発明における一定の権利を有する。
特許請求の範囲に記載した発明は、共同の大学−企業研究契約に関係している1つまたは複数の以下の団体:プリンストン大学、ミシガン大学、サザンカリフォルニア大学、およびユニバーサルディスプレイコーポレーションによって、および/または関連して行われた。上記契約は、特許請求の範囲に記載の発明がなされた日およびそれ以前に発効しており、特許請求の範囲に記載された発明は、前記契約の範囲内で行われた活動の結果としてなされた。
τ=励起状態の寿命、
α=グラウンドが励起状態に転移する吸収係数
R=層の反射率
d=層の厚さ
E=光子エネルギー
である。
信号電流は、そのとき、
次の実施例は、本発明の方法およびデバイスを説明するために提示され、本発明を限定することは何ら意図されていない。
一重項ベースの物質を用いる赤外線の検出
この例は、ルブレンにおける赤外線の検出を示す。ルブレンは、約2.5eVの可視の青い領域における高いモル吸光係数、長いS1寿命および約4eVのS2状態へのNIR変換に対する良好な遷移確率を示す。それは、十分に立体的にかさだかでもあり、凝集および自己失活を防ぐ。
三重項ベースの物質を用いる赤外線の検出
この例は、三重項ベースの物質における赤外線の検出を示す。
三重項ベースの物質および増感剤を用いる赤外線の検出
電極および増感剤として約10%の(ppy)2Ir(acac)を含むまたは含まないフッ素オリゴマーF3の約10%をドープしたポリ(フェニレンビニレン)(PPV)の薄膜を含有する光伝導性セル。これらのセルを、PPVのための前駆体、PPV:F3またはPPV:(ppy)2Ir(acac):F3の50nmの層を形成するための(ppy)2Ir(acac)を含むまたは含まないフッ素オリゴマーF3をITO上に熱共蒸着させ、続いて5nmのLiFおよび100nmのAlを堆積させることによって作製する。F3は、おおよそ約540〜580nmの三重項エネルギーを有すると推定される。加えて、F3は、リン光体が強く吸収する領域(すなわち435nm)においては無視できる吸収を有し、リン光体の直接励起を可能にする。
8 励起子
10 真空準位
152 ドナー
153 ヘテロ接合
154 アクセプター
252 ドナー物質
254 アクセプター物質
601 光源
602 絶縁層
603 電極
604 ドープした半導体層
605 ヘテロ接合層
607 検出器回路
Claims (84)
- 赤外線を検出する方法であって、
(i)光伝導性有機物質中にEminより低いΔEの範囲内にあるエネルギー準位Eを有する1つまたは複数の第一の励起子を発生させるのに適した光子エネルギーを有するポンプ光を前記光伝導性有機物質に照射するステップ(ここで、Eminは、前記光伝導性有機物質中に電荷担体を発生させるための最小励起エネルギーであり、ΔEは電磁スペクトルの赤外域内にある)、
(ii)前記光伝導性有機物質を前記赤外線にさらし、前記第一の励起子による前記赤外線の吸収により電荷担体の発生をもたらすステップ、および
(iii)前記発生した電荷担体を検出するステップ
を含む方法。 - ΔEが、0.1〜1.7eVの範囲内である請求項1に記載の方法。
- ポンプ光が可視および/または紫外線である請求項1に記載の方法。
- 前記ポンプ光が、パルス光である請求項1に記載の方法。
- 前記ポンプ光の強度が、電荷検出を可能とする数の前記第一の励起子が発生されるように選択される請求項1に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の第一の励起子が一重項励起子である請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質が、ホスト物質およびドーパント物質を含み、前記ドーパント物質が前記ポンプ光を吸収して前記第一の励起子を発生する請求項6に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質が、ホスト物質およびドーパント物質を含み、前記ホスト物質が前記ポンプ光を吸収して、前記ドーパント物質中の前記第一の励起子に転化する励起子を前記ホスト物質中で発生する請求項6に記載の方法。
- 前記ホスト物質が、カルバゾール含有物質、アリールアミン、テトラアリールフェニレンジアミン、共役半導体ポリマーまたはポリマーブレンド、フタロシアニン、ポルフィリン、遷移金属錯体、C60、多環芳香族、ならびに遷移金属、アクチニドおよびランタニドの錯体からなる群から選択される請求項7または8に記載の方法。
- 前記ドーパント物質が、金属フタロシアニン、金属ポルフィリン、アセン、置換アセン、およびレーザー色素からなる群から選択される請求項7から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質が、ホスト物質およびドーパント物質を含み、前記第一の励起子による前記赤外線の吸収が、前記ドーパント物質のLUMOへの緩和によって電荷担体に解離する第二励起子の発生をもたらす請求項6に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質がドナー物質であり、前記ドナー物質がアクセプター物質と接触して整流接合を形成する請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
- Eminが前記アクセプター物質のLUMOエネルギー以上である請求項12に記載の方法。
- Eminが前記アクセプター物質のLUMOエネルギーより50mV高い請求項13に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質がアクセプター物質であり、前記アクセプター物質がドナー物質と接触して整流接合を形成する請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
- Eminが前記アクセプター物質のHOMOエネルギー以下である請求項15に記載の方法。
- Eminが前記アクセプター物質のHOMOエネルギーより50mV低い請求項16に記載の方法。
- 前記ドナー物質が、カルバゾール含有物質、アリールアミン、テトラアリールフェニレンジアミン、オリゴチオフェン、フェニレンビニレン、オリゴピロール、テトラチアフルバレンおよびその誘導体、共役半導体ポリマーまたはポリマーブレンド、フタロシアニン、ポルフィリン、アセンおよび置換アセン、カーボンナノチューブ、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される物質を含む請求項12から17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アクセプター物質が、F16CoPc、F16ZnPc、NiTPP、テトラシアノエチレン、テトラシアノキヌクリジンおよびその誘導体、フラーレン、多環芳香族、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される物質を含む請求項12から18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記整流接合が、平面整流接合、混合ヘテロ接合、またはバルクヘテロ接合である請求項12から19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の第一の励起子が、三重項励起子である請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポンプ光が、前記光伝導性有機物質中で前記1つまたは複数の第一の三重項励起子に転化する1つまたは複数の一重項励起子を発生し、前記1つまたは複数の第一の三重項励起子による前記赤外線の吸収が電荷担体に解離する1つまたは複数の第二の三重項励起子の発生をもたらす請求項21に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質が、ホスト物質およびリン光性ドーパント物質を含み、前記ポンプ光が、前記リン光性ドーパント物質中で1つまたは複数の一重項励起子を発生し、これらの一重項励起子が前記リン光性ドーパント物質中で前記第一の三重項励起子に転化する請求項21または22に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質が、ホスト物質およびリン光性ドーパント物質を含み、前記ポンプ光が、前記ホスト物質中で1つまたは複数の一重項励起子を発生し、これらの一重項励起子が前記リン光性ドーパント物質中で前記第一の三重項励起子に転化する請求項21または22に記載の方法。
- 前記一重項励起子が、前記第一の三重項励起子に、電荷分離のためのタイムスケールより小さいタイムスケールで転化する請求項23または24に記載の方法。
- 前記一重項励起子が、前記第一の三重項励起子に1ピコ秒未満のタイムスケールで転化する請求項25に記載の方法。
- 前記ホスト物質が、カルバゾール含有物質、アリールアミン、テトラアリールフェニレンジアミン、オリゴチオフェン、フェニレンビニレン、オリゴピロール、テトラチアフルバレンおよびその誘導体、共役半導体ポリマーまたはポリマーブレンド、フタロシアニン、ポルフィリン、アセンおよび置換アセン、カーボンナノチューブ、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される請求項21から26のいずれか一項に記載の方法。
- 前記リン光性ドーパント物質が、40より大きい原子番号を有する重金属イオンを有する金属ポルフィリンおよびフタロシアニン、40より大きい原子番号を有する金属イオンを有する有機金属錯体、および原子番号40未満であり25%より大きい項間交差効率を有する金属イオンを有する金属錯体からなる群から選択される請求項21から27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記リン光性ドーパント物質が、IrまたはPtの有機金属錯体である請求項28に記載の方法。
- 前記ポンプ光が、前記光伝導性有機物質中で前記1つまたは複数の第一の三重項励起子を直接の一重項−三重項遷移によって発生させ、前記1つまたは複数の第一の三重項励起子による前記赤外線の吸収が、電荷担体に解離する1つまたは複数の第二の三重項励起子の発生をもたらす請求項21に記載の方法。
- 前記ホスト物質が、前記リン光性ドーパント物質の一重項および三重項励起子準位内にはめこまれた一重項および三重項励起子準位を有する請求項24に記載の方法。
- 前記ホスト物質が(1np)Pt(dpm)または(btp)Pt(dpm)であり、前記リン光性ドーパント物質がルブレンである請求項31に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質が、ホスト物質、リン光性ドーパント物質および増感剤物質を含み、前記ポンプ光が、前記増感剤物質中で1つまたは複数の一重項励起子を発生し、これらの一重項励起子が前記リン光性ドーパント物質中で前記第一の三重項励起子に転化する請求項21または22に記載の方法。
- 前記増感剤物質が、前記リン光性ドーパント物質の一重項および三重項励起子準位にはめこまれた一重項および三重項励起子準位を有する請求項33に記載の方法。
- 前記ホスト物質が、カルバゾール含有物質、アリールアミン、テトラアリールフェニレンジアミン、オリゴチオフェン、フェニレンビニレン、オリゴピロール、テトラチアフルバレンおよびその誘導体、共役半導体ポリマーまたはポリマーブレンド、フタロシアニン、ポルフィリン、アセンおよび置換アセン、カーボンナノチューブ、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される請求項33または34に記載の方法。
- 前記リン光性ドーパント物質が、40より大きい原子番号を有する重金属イオンを有する金属ポルフィリンおよびフタロシアニン、40より大きい原子番号を有する金属イオンを有する有機金属錯体、および原子番号40未満であり25%より大きい項間交差効率を有する金属イオンを有する金属錯体からなる群から選択される請求項33から35のいずれか一項に記載の方法。
- 前記増感剤物質が、40より大きい原子番号を有する重金属イオンを有する金属ポルフィリンおよびフタロシアニン、40より大きい原子番号を有する金属イオンを有する有機金属錯体、および原子番号40未満であり25%より大きい項間交差効率を有する金属イオンを有する金属錯体からなる群から選択される請求項33から36のいずれか一項に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質がドナー物質であり、前記ドナー物質がアクセプター物質と接触して整流接合を形成する請求項21から37のいずれか一項に記載の方法。
- Eminが前記アクセプター物質のLUMOエネルギー以上である請求項38に記載の方法。
- Eminが前記アクセプター物質のLUMOエネルギーより50mV高い請求項39に記載の方法。
- 前記光伝導性有機物質がアクセプター物質であり、前記アクセプター物質がドナー物質と接触して整流接合を形成する請求項21から37のいずれかに記載の方法。
- Eminが前記アクセプター物質のHOMOエネルギー以下である請求項41に記載の方法。
- Eminが前記アクセプター物質のHOMOエネルギーより50mV低い請求項42に記載の方法。
- 前記ドナー物質が、カルバゾール含有物質、アリールアミン、テトラアリールフェニレンジアミン、オリゴチオフェン、フェニレンビニレン、オリゴピロール、テトラチアフルバレンおよびその誘導体、共役半導体ポリマーまたはポリマーブレンド、フタロシアニン、ポルフィリン、アセンおよび置換アセン、カーボンナノチューブ、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される物質を含む請求項38から43のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アクセプター物質が、F16CoPc、F16ZnPc、NiTPP、テトラシアノエチレン、テトラシアノキヌクリジンおよびその誘導体、フラーレン、多環芳香族、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される物質を含む請求項38から44のいずれか一項に記載の方法。
- 前記整流接合が、平面整流接合、混合ヘテロ接合、またはバルクヘテロ接合である請求項38から45のいずれか一項に記載の方法。
- 赤外線を検出するための有機感光性光電子デバイスであって、
(i)第一の電極および第二の電極、ならびに
(ii)該第一の電極と該第二の電極の間に配置されている光伝導性有機物質(前記光伝導性有機物質は、Eminより低いΔEの範囲内にあるエネルギー準位Eを有する1つまたは複数の第一の励起子を発生させる可視および/または紫外光を吸収することができ、ここで、Eminは、前記光伝導性有機物質中に電荷担体を発生させるための最小励起エネルギーであり、ΔEは電磁スペクトルの赤外域内にある)、
を含み、
有機光伝導物質に照射するために配置された前記可視および/または紫外光の光源をさらに含む、有機感光性光電子デバイス。 - 2つの電極の間および2つの電極の少なくとも1つに隣接した少なくとも1つの励起子障壁層をさらに含む請求項47に記載の有機感光性光電子デバイス。
- ΔEが、0.1〜1.7eVの範囲内である請求項47または48に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記可視および/または紫外光がパルス光である請求項47に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記可視および/または紫外光の強度が、電荷検出を可能とする数の前記第一の励起子が発生されるように選択される請求項50に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記第一の励起子が第一の三重項励起子であり、前記光伝導性有機物質がホスト物質およびリン光性ドーパント物質を含み、前記ホスト物質が、前記可視および/または紫外光を吸収して前記リン光性ドーパント物質中で前記第一の三重項励起子に転化する1つまたは複数の一重項励起子を発生することができる請求項47から51のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記ホスト物質が、前記リン光性ドーパント物質の一重項および三重項励起子準位内にはめこまれた一重項および三重項励起子準位を有する請求項52に記載の方法。
- 前記ホスト物質が(1np)Pt(dpm)または(btp)Pt(dpm)であり、前記リン光性ドーパント物質がルブレンである請求項53に記載の方法。
- 前記第一の励起子が第一の三重項励起子であり、前記光伝導性有機物質がホスト物質、リン光性ドーパント物質および増感剤物質を含み、前記増感剤物質が、前記可視および/または紫外光を吸収して前記リン光性ドーパント物質中で前記第一の三重項励起子に転化する1つまたは複数の一重項励起子を発生することができる請求項47から51のいずれ一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記増感剤物質が、前記リン光性ドーパントの一重項および三重項励起子準位内にはめこまれた一重項および三重項励起子準位を有する請求項55に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記ホスト物質が、カルバゾール含有物質、アリールアミン、テトラアリールフェニレンジアミン、オリゴチオフェン、フェニレンビニレン、オリゴピロール、テトラチアフルバレンおよびその誘導体、共役半導体ポリマーまたはポリマーブレンド、フタロシアニン、ポルフィリン、アセンおよび置換アセン、カーボンナノチューブ、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される請求項52から56のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記リン光性ドーパント物質が、40より大きい原子番号を有する重金属イオンを有する金属ポルフィリンおよびフタロシアニン、40より大きい原子番号を有する金属イオンを有する有機金属錯体、および原子番号40未満であり25%より大きい項間交差効率を有する金属イオンを有する金属錯体からなる群から選択される請求項52から57のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記増感剤物質が、40より大きい原子番号を有する重金属イオンを有する金属ポルフィリンおよびフタロシアニン、40より大きい原子番号を有する金属イオンを有する有機金属錯体、および原子番号40未満であり25%より大きい項間交差効率を有する金属イオンを有する金属錯体からなる群から選択される請求項55から56のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記光伝導性有機物質がドナー物質であり、前記ドナー物質がアクセプター物質と接触して整流接合を形成する請求項47から59のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- Eminが前記アクセプター物質のLUMOエネルギー以上である請求項60に記載の有機感光性光電子デバイス。
- Eminが前記アクセプター物質のLUMOエネルギーより50mV高い請求項61に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記光伝導性有機物質がアクセプター物質であり、前記アクセプター物質がドナー物質と接触しており、前記アクセプター物質およびドナー物質が整流接合を形成する請求項47から59のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- Eminが前記アクセプター物質のHOMOエネルギー以下である請求項63に記載の有機感光性光電子デバイス。
- Eminが前記アクセプター物質のHOMOエネルギーより50mV低い請求項64に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記ドナー物質が、カルバゾール含有物質、アリールアミン、テトラアリールフェニレンジアミン、オリゴチオフェン、フェニレンビニレン、オリゴピロール、テトラチアフルバレンおよびその誘導体、共役半導体ポリマーまたはポリマーブレンド、フタロシアニン、ポルフィリン、アセンおよび置換アセン、カーボンナノチューブ、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される物質を含む請求項60から65のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記アクセプター物質が、F16CoPc、F16ZnPc、NiTPP、テトラシアノエチレン、テトラシアノキヌクリジンおよびその誘導体、フラーレン、多環芳香族、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される物質を含む請求項60から66のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- 前記ドナー物質および前記アクセプター物質が、平面整流接合、混合ヘテロ接合、またはバルクヘテロ接合を形成する請求項60から67のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイス。
- ホスト物質、リン光性ドーパント物質、および増感剤物質を含む有機光伝導物質を含む赤外線を検出するための有機感光性光電子デバイスにおいて使用するための有機物質であって、前記増感剤物質が、(i)Eminより低いΔEの範囲内の励起子エネルギー準位(ここで、Eminは、前記光伝導性有機物質中に電荷担体を発生させるための最小励起エネルギーであり、ΔEは電磁スペクトルの赤外域内である)、および(ii)前記リン光性ドーパント物質の一重項および三重項励起子エネルギー準位内にはめこまれた一重項および三重項励起子準位を有しており、前記リン光性ドーパント物質の前記三重項励起子エネルギー準位が、Eminより低いΔEの範囲内にある有機物質。
- ホスト物質およびリン光性ドーパント物質を含む有機光伝導物質を含む赤外線を検出するための有機感光性光電子デバイスにおいて使用するための有機物質であって、前記ホスト物質が、(i)Eminより低いΔEの範囲内の励起子エネルギー準位(ここで、Eminは、前記光伝導性有機物質中に電荷担体を発生させるための最小励起エネルギーであり、ΔEは電磁スペクトルの赤外域内である)、および(ii)前記リン光性ドーパント物質の一重項および三重項励起子エネルギー準位内にはめこまれた一重項および三重項励起子準位を有しており、前記リン光性ドーパント物質の前記三重項励起子エネルギー準位Eが、Eminより低いΔEの範囲内にある有機物質。
- ΔEが、0.1〜1.7eVの範囲内である請求項69または70に記載の有機物質。
- 前記光伝導性有機物質がドナー物質であり、前記有機物質が、整流接合を形成する前記ドナー物質と接触しているアクセプター物質をさらに含んでいる請求項69から71のいずれか一項に記載の有機物質。
- Eminが前記アクセプター物質のLUMOエネルギー以上である請求項72に記載の有機物質。
- Eminが前記アクセプター物質のLUMOエネルギーより50mV高い請求項73に記載の有機物質。
- 前記光伝導性有機物質がアクセプター物質であり、前記アクセプター物質がドナー物質と接触して整流接合を形成する請求項69から71のいずれか一項に記載の有機物質。
- Eminが前記アクセプター物質のHOMOエネルギー以下である請求項75に記載の有機物質。
- Eminが前記アクセプター物質のHOMOエネルギーより50mV低い請求項76に記載の有機物質。
- 前記ドナー物質が、カルバゾール含有物質、アリールアミン、テトラアリールフェニレンジアミン、オリゴチオフェン、フェニレンビニレン、オリゴピロール、テトラチアフルバレンおよびその誘導体、共役半導体ポリマーまたはポリマーブレンド、フタロシアニン、ポルフィリン、アセンおよび置換アセン、カーボンナノチューブ、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される物質を含む請求項72から77のいずれかに記載の有機物質。
- 前記アクセプター物質が、F16CoPc、F16ZnPc、NiTPP、テトラシアノエチレン、テトラシアノキヌクリジンおよびその誘導体、フラーレン、多環芳香族、配位化合物ならびに有機金属錯体からなる群から選択される物質を含む請求項72から78のいずれか一項に記載の有機物質。
- 前記ドナー物質および前記アクセプター物質が、平面整流接合、混合ヘテロ接合、またはバルクヘテロ接合を形成する請求項72から79のいずれか一項に記載の有機物質。
- 赤外線を画像化するためのイメージャーであって、請求項47から68のいずれか一項に記載の有機感光性光電子デバイスを複数個含むイメージャー。
- 前記複数個が、少なくとも10の前記有機感光性光電子デバイスを含むことである請求項81に記載のイメージャー。
- 前記有機感光性光電子デバイスのそれぞれが、1μm×1μm以下の大きさである請求項81または82に記載のイメージャー。
- 前記複数個の有機感光性光電子デバイスが、個別にアドレスできる配列を形成する請求項81から83のいずれか一項に記載のイメージャー。
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