[發明專利]一種具有高探測率和低暗電流的全聚合物光探測器

有效

• 申請號: 202110276556.3
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113140678B
• 公開（公告）日: 2023-02-14
• 發明（設計）人: 段春暉;劉濤;吳寶奇;曹鏞
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H10K30/00
• 分類號: H10K30/00;H10K71/12;H10K71/40;H10K85/10;H10K85/40
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開了一種具有高探測率和低暗電流的全聚合物光探測器，屬于有機光電器件領域。該探測器的器件結構從下到上依此為襯底、導電陽極、空穴傳輸層、光活性層、電子傳輸層和金屬陰極，所述的光活性層是由聚合物給體和特定的聚合物受體PNDI?DTBT共混形成的體異質結。在合理篩選聚合物給體和活性層形貌優化的協同作用下，光活性層具有合適的相分離尺度和優勢的垂直相分布，在?0.1V的工作電壓下，探測器獲得了低于10^?10A cm^?2的暗電流密度和超過10¹⁴Jones的比探測率，實現了一種高探測率、低暗電流的全聚合物光探測器。

技術領域

本發明屬于有機光電探測器技術領域，具體涉及一種具有高探測率和低暗電流的全聚合物光探測器。

背景技術

近年來，隨著有機半導體材料和器件的迅猛發展，有機光電探測器(OPDs)逐漸成為了光探測器領域的研究熱點。與傳統的已商業化的無機光電探測器相比，有機光電探測器具有質輕、柔性、可在室溫下工作、可溶液加工、可制備大面積器件等優點。而且，有機半導體的來源廣泛、種類繁多、吸收光譜可調使得探測器的發展空間得到了大幅度的擴展。因此，有機光電探測器在健康監測、人工視覺、光通信、夜視、生物醫學成像、圖像傳感器等領域有著廣泛的應用前景(Adv.Mater.2020,32,1902045)。

作為探測器的核心性能參數，比探測率D*表示了探測器件對光的探測能力。在只考慮散射噪聲的條件下，比探測率可以由以下公式計算得到：

從上式可以看出，如果想獲得一個高探測性能的有機光探測器，需要獲得在特定波長λ下實現較高的外量子效率EQE和較低的暗電流密度J_d，以達到高的比探測率。對于非倍增型的光探測器而言，EQE的變化范圍有限，均小于100％。然而，不同光活性層體系的暗電流卻相差懸殊，有的差別達到了幾個數量級。因此，從提高比探測率的角度上，顯著降低暗電流是實現高性能OPDs的一種有效策略。

為了降低OPDs的暗電流，不同研究人員提出了不同的解決方案。Paul Meredith等人將基于PCDTBT:PC₇₁BM的OPDs活性層厚度從100nm增加到700nm后，暗電流從60nA急劇下降到0.2nA，最終器件的比探測率顯著提高至10¹³Jones的數量級(LaserPhotonics Reviews,2015,8,924)。同樣地，應磊等人通過將活性層厚度從110nm增加到300nm，-0.1V下的J_d從5.38×10^-8A cm^-2降到了4.85×10^-10A cm^-2，降低幅度達2個數量級，成功實現了2.61×10¹³Jones的基于NT40:N2200的高性能OPDs(ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,14208)。此外，除了適當增加活性層的厚度，合適的垂直相分離也能降低負偏壓下的電荷注入，抑制OPDs的暗電流。梁永曄等人在聚合物PBT(TH)和PBD(TH)的側鏈上引入EDOT單元，設計合成了PBT(EDOT)和PBD(EDOT)兩種聚合物，分別與PC₆₁BM和PC₇₁BM搭配制備OPDs，實驗結果表明EDOT的引入增加了聚合物與下層空穴傳輸層PEDOT:PSS之間的相互作用，形成了有利的垂直相分離，在PEDOT:PSS表面附近形成聚合物富集層，因此暗電流減少了約2個數量級，相應的探測器實現了10⁶～10⁷的電流開關比和約10¹³Jones的比探測率(Adv.Mater.2015,27,6496)。