利用双给体实现可见光范围高探测率 有机光电探测器

采用P3HT∶PBDT-TT-C∶PC_(61)BM为活性层,通过溶液旋涂和高真空蒸镀工艺制备了覆盖可见光范围的高探测率有机光电探测器.利用原子力显微镜、紫外可见吸收光谱和荧光光谱研究了窄带隙聚合物红光吸收材料PBDT-TT-C掺入P3HT∶PC_(61)BM对活性层薄膜光学特性和器件电学特性的影响.研究发现当活性层中P3HT∶PBDT-TT-C∶PC_(61)BM质量比为8∶2∶10时,活性层的响应光谱范围拓宽到350～780 nm.其探测器在-1 V偏压下红绿蓝三基色的光响应度和外量子效率分别达到了422 mA/W、464 mA/W、286 mA/W和83%、108%、77%,比探测率均达到10~(12)Jones以上.结果表明,在有机光电探测器活性层中掺入吸收光谱互补的有机材料,在保证薄膜微观形貌的基础上,通过调节三元混合材料的质量比,不仅可以优化载流子的产生和输运,提高器件的光电流,还可通过第三组分的掺入促进薄膜结晶,减小器件的暗电流.     

具有光电倍增的宽光谱三相体异质结有机彩色探测器

实验研究了P3HT：PBDT-TT-F：PCBM三相体异质结活性层光谱拓宽及其材料混合度对探测器光电特性的影响以及陷阱辅助光电倍增的机理.在此基础上,获得了一个覆盖350–750 nm波长范围的彩色探测器.该探测器在-1 V低偏压下红绿蓝三基色的光响应度和外量子效率分别达到了470,381,450 mA/W和93%,89%,121%,比探测率均接近10¹² Jones,且各基色的特性参数最大平均相对偏差均小于20%,同时频率带宽分别达到了5,8,8 kHz.结果表明：在保持二相体异质结薄膜原有微观形貌下,掺入少量光谱拓宽材料可实现活性层吸收光谱的拓宽.利用能级陷阱中电子的辅助作用引入外电路空穴注入,可实现探测器光电倍增.通过调节三相材料的混合度可实现基色间探测能力的均衡性.     

基于P3HT∶PC61BM∶ITIC双受体三元有机光电探测器特性研究

为实现有机光电探测器对三基色(红、绿、蓝)的全响应以及器件性能的改善,研究了在P3HT∶PCBM活性层中,掺入非富勒烯受体ITIC实现光谱拓宽以及通过改善迁移率的平衡性和活性层表面形态,进而改善探测器性能的方法,着重研究了ITIC受体含量对探测器光电学性能的影响。在此基础上,获得了一个覆盖400～800 nm波长范围的三基色探测器,并且在低偏压-1.5 V下三基色(波长为630、530和460 nm)的外量子效率EQE和比探测率D*分别达到了56%、68%、52%和1.17×10¹² Jones、1.4×10¹² Jones、1.2×10¹² Jones。结果表明：在P3HT:PC61BM中混入适量的ITIC,不仅可将光谱拓宽到400～800 nm,改善器件的光学特性,而且还可以提高激子解离率和载流子收集率,降低混合薄膜中的双分子复合,使器件电学特性得到了明显改善。本文研究为研发宽光谱高探测率三基色有机光电探测器提供了一种新思路。     

电压调控型有机光电倍增探测器

采用改变有机探测器活性层中给受体比例的方法,实现器件工作电压的可调性.研究PBDT-TT-F∶PC_(61)BM∶C_(60)光电倍增型器件中不同PC_(61)BM浓度对空穴隧穿注入电压的影响.在接近600%的外量子效率下,通过调控PC_(61)BM的浓度,既可以获得-3 V较低工作电压器件,也可以获得-6 V较高工作电压器件.结果表明,通过调节活性层中PC_(61)BM的浓度,可以改变激子解离率和空穴传输能力,引起阳极对空穴注入电流收集率的变化,最终达到调控工作电压要求.本文为实现工艺简单、低工作电压且可调的倍增型有机光电探测器提供了参考.     

窄带有机光电探测器的优化设计

针对基于无机材料的光电探测器需要借助滤光器或棱镜耦合实现窄带响应,提出了一种通过有机材料制备窄带光电探测器并提高吸收峰值和降低半高全宽的方法和结构。该器件由分布布拉格反射器和有机光电二极管构成。有机光电二极管的顶电极和底电极之间构成光学微腔。采用传输矩阵法,详细分析了分布布拉格反射器的中心波长、有机光电二极管透明顶电极和光敏感层的厚度对有机光电探测器吸收性能的影响。研究结果表明,Tamm等离激元共振波长接近光敏感层的光学带隙时,可获得半高全宽小于20 nm的窄带响应,并且吸收峰值在70%以上。基于PTB7∶PC~(71)BM和PTB7-Th∶IEICO-4F的有机光电探测器分别可用于探测红光和近红外光。该研究从基本物理机制出发,结合材料和器件结构可将有机光电探测器的响应窗口从可见光拓展至近红外光。     

宽光谱高比探测率有机光电探测器

为实现有机光电探测器对三基色(红、绿、蓝)的全响应以及器件性能的改善,研究了在聚(3-己基噻吩)(P3HT)∶[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)活性层中,掺入窄带隙材料(4,8-双-(2-乙基己氧基)-苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩)-(4-氟代噻并[3,4-b]噻吩)(PBDT-TT-F)实现光谱拓宽以及通过提高阳极修饰层电子注入势垒来降低暗电流,改善探测器性能的方法,研究了PBDT-TT-F掺杂浓度以及修饰层厚度对探测器光电学性能的影响规律.在此基础上,获得了一个覆盖400~750nm波长范围的探测器,并且在低偏压-1V下三基色的线性动态范围和比探测率分别达到了81、80、81dB和2.7×1012、2.0×1012、2.6×1012 Jones.结果表明:在保持原有二相体异质结薄膜的微观形貌和电学特性前提下,掺入13wt.%少量光谱拓宽材料可实现活性层的光谱拓宽.采用合适厚度的三氧化钼(MoO3)层替换原有的聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)阳极修饰层,可使探测器的三基色线性动态范围和比探测率大幅提高.该研究为研发宽光谱高探测率三基色有机光电探测器提供了一种新思路.     

基于溶液加工小分子材料发光层的有机-无机复合发光器件

报道了基于溶液加工有机小分子材料发光层、聚乙烯亚胺电子注入层的有机-无机复合发光器件. 优化了空穴传输层和磷光染料的掺杂浓度, 得到最佳发光效率的器件. 蓝光、黄光和红光器件的最大外量子效率为17.3%, 10.7% 和7.3%. 在发光亮度为1000 cd/m² 时, 蓝光、黄光和红光器件的外量子效率分别为17.0%, 10.6% 和5.8%, 器件效率下降较小. 原因在于同时采用空穴传输型和电子传输型的小分子材料作为共同主体材料, 器件具有较宽的载流子复合区域, 降低了三线激发态-三线激发态湮灭和三线激发态-极化子相互作用对器件发光效率的影响. 白光器件在亮度为1000 cd/m²时, 发光效率和功率效率为31 cd/A和 14.8 lm/W. 器件的色度为(0.32, 0.42), 色度比较稳定, 随电流的变化微小. 器件的效率较以往报道的有机-无机复合发光器件有显著的提高, 主要归因于在聚乙烯亚胺上能够制备特性良好的小分子材料薄膜, 以及小分子主体材料拥有较高的三线态能量和平衡的载流子传输特性, 能够获得高效的磷光发射.     

高性能宽带倍增型四元有机光电探测器

采用溶液法制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/活性层/Al的四元倍增型有机光电探测器,器件本体异质结活性层由P3HT∶PTB7-Th∶IEICO∶PC_(71)BM以90∶10∶0.5∶0.5的质量比共混组成。随着偏压增加,器件外量子效率(External quantum efficiency, EQE)远超100%,并展现300～850 nm的宽光谱响应。在330 nm与780 nm处,器件可获得的最高EQEs和响应度分别为773000%和2 057 A·W~(-1)以及311000%和1 956 A·W~(-1),为有机光电探测器在紫外和近红外光区可获得的最高EQE和响应度之一。-25 V偏压下,与结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PTB7-Th∶IEICO(90∶10∶1)/Al的三元器件相比,四元器件的平均EQE(388167%)、响应度(1 604 A·W~(-1))以及探测灵敏度(3.6×10~(13) Jones)分别提高了0.5倍、0.5倍和0.4倍,有效提升了器件对弱光的探测能力。上述结果提供了一种制备多元宽带倍增型有机光电探测器的有效策略,用以提高器件弱光探测能力,特别是提升了器件对紫外和近红外光的响应与探测能力。     

基于苯并二噻吩聚合物所制备的三元光电探测器的特性

本文采用P3HT∶PTB7∶PC⁶¹BM为活性层,制备了覆盖可见光范围的三元体异质结有机光电探测器(organic photodetectors,OPDs).利用原子力显微镜、紫外可见吸收光谱和荧光光谱等手段研究了PTB7添加到P3HT∶PC61BM体系中对OPDs光学和电学性质的影响,发现当P3HT∶PTB7∶PC61BM的质量比为8∶2∶10时,三元混合层的响应光谱扩展到780 nm,OPDs的响应度R在630,530,460 nm的光照和–1 V偏压下分别达到178,291,241 mA/W,比探测率D^*达到10¹² Jones,并与课题组之前成果P3HT∶PBDT-TT-C∶PC61BM为活性层的三元有机光电探测器做了对比.分析了两种基于苯并[1,2-b∶4,5-b]二噻吩(BDT)单元的聚合物PTB7与PBDT-TT-C分别添加到同一体系P3HT∶PC₆₁BM中产生的器件性能差距的现象,解释了PTB7由于氟原子的引入,对混合薄膜微观形貌的影响和对薄膜中光生载流子迁移率的提升的原因.这为制备性能更好的有机光电探测器提供了理论依据和方法.     

负电子亲和势GaN光电阴极的研究进展

GaN材料由于其优良的性能,成为紫外探测和真空电子源领域极具发展潜力的材料之一;目前制备的反射式GaN光电阴极的量子效率已达到70%以上,透射式也达到了30%.本文对GaN光电阴极的结构设计、表面清洗和Cs/O激活三大方面进行了综述,分析了影响量子效率的关键因素,并对今后可能的发展方向进行了展望. 关键词： GaN光电阴极 负电子亲和势 量子效率 进展     

基于1.06μm波长的谐振腔型石墨烯光电探测器的信噪比分析

雪崩光电二极管由于具有高增益特性而广泛应用于激光测距机中,但由于在电流倍增过程中引入的高附加噪声,使激光测距机进一步提高信噪比遇到了瓶颈。石墨烯具有高电子迁移率、零带隙结构、独特光吸收系数等特性使其广泛应用于激光器、光调制器、透明电极以及超快光电探测器。该研究提出了一种高信噪比的谐振腔型石墨烯光电探测器的设计方法。以波长为1.06μm的激光为例,采用光学传输矩阵法和散射矩阵法,研究了光波在谐振腔传输和吸收层吸收的机理,建立了谐振腔型光电探测器的光吸收模型,通过优化,器件最终量子效率达到91.2%,响应度达到0.778A·W~(-1),半高全宽达到6nm;分析石墨烯在谐振腔中的位置对器件吸收率的影响,发现在满足谐振条件下,器件吸收率随石墨烯位置呈现周期性变化,腔长的改变不改变吸收率峰值,而是改变了吸收率峰值对应的石墨烯在谐振腔中的位置,当腔长是入射光半波长的n倍时,随着石墨烯位置变化,将出现2n个吸收率峰值,且关于谐振腔中心点对称分布;选择石墨烯距顶层反射镜0.402 8μm时,器件吸收率达到94%,相比单层石墨烯,吸收率提高了16dB;通过对比求解谐振腔型石墨烯光电探测器和雪崩光电二极管信噪比方程,得出谐振腔型石墨烯光电探测器信噪比可达到90.3,较雪崩光电二极管提高了10dB;理论分析表明,谐振腔型石墨烯光电探测器具有高吸收率、高量子效率和高信噪比,研究成果将对激光测距机接收系统中光电探测器的更新设计和应用提供理论参考。     

高性能透射式GaAs光电阴极量子效率拟合与结构研究

为了探索高性能透射式GaAs光电阴极的特征结构,对光电阴极量子效率公式进行了光谱反射率与短波截止限的修正,并利用修正后的公式对ITT透射式GaAs光电阴极量子效率(≈43%)曲线进行了拟合,得到拟合相对误差小于5%时的结构参数为:窗口层Ga_1-xAl_xAs的厚度介于0.3-0.5 μm,Al组分x值为0.7,发射层GaAs的厚度介于1.1-1.4 μm.另外,根据拟合结果讨论了均匀掺杂透射式GaAs光电阴极的优化结构参数,如果光电阴极具有0.4 μm厚的Ga_1-xAl_xAs(x=0.7)窗口层和1.1-1.5 μm厚的GaAs发射层,则积分灵敏度可以达到2350 μA/lm以上. 关键词： 透射式GaAs光电阴极 量子效率 积分灵敏度 光学性能     

氧化锌锡作为电子传输层的量子点发光二极管

本文研究了以胶状量子点作为发光层和有机/无机混合材料作 为电子-空穴传输层的电致发光二极管器件. CdSe 量子点以薄膜的形式夹在无机氧化锌锡电子传输层和有机TPD空穴传输层中间构成三明治结构. 氧化锌锡电子传输层采用磁控溅射实现, 有机TPD空穴传输层和量子点发光层则采用旋涂的方法制备, 得到的QD-LEDs器件结构界面陡峭、表面平整. 光电特性表征结果显示器件的电致发光具有良好的单色性、低的开启电压, 利 用具有高电子迁移率和低载流子浓度的无机氧化锌锡薄膜作为电子传输层可 以实现器件在大气环境下稳定、明亮的电致发光. 本文分析了器件的工作机理并通过改变氧化锌锡的电导率达到控制器件中电子和空穴的注入比的目的, 优化了器件的光电性能. 关键词： 量子点 氧化锌锡 电致发光 电子传输层     

不同厚度阴极修饰材料LiF对聚对苯乙炔MOPPV-SWNT-PbSe量子点复合材料太阳电池性能的影响

基于碳纳米管的良好导电性、激子传输性能和量子点聚合物复合材料高的光电转换性能,采用原位缩合法制备了聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔-功能化碳纳米管-硒化铅量子点复合材料.通过对复合材料的X射线衍射、透射电子显微镜和紫外可见吸收光谱研究,发现聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔,功能化碳纳米管与硒化铅量子点可以有效地复合,且功能化碳纳米管与聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔形成网状结构;硒化铅量子点尺寸为5.75nm,其可均匀地分散在聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔-功能化碳纳米管基体中形成包覆或镶嵌结构,并发生了光诱导电荷转移.通过对复合材料的光电性能研究发现,插入不同厚度阴极修饰材料LiF后其光电性能提高,且当LiF为3nm时,开路电压为0.558 V,短路电流为2.338 mA,填充因子为37.6%,转换效率为0.466%,与不插入修饰材料时相比复合材料光电性能提高了30%.     

共振腔增强型光电探测器

共振腔增强型光电探测器是近十年发展起来的新型探测器。它是在探测器内制备微共振腔并在中间插入激活层构成的。在这种结构中,由于共振腔对非共振波长的抑制及对共振光场的放大作用,使探测器的量子效率在共振波长处被增强,带宽－量子效率之积比传统的光电二极管提高了近３倍。由于它同时具备对波长的选择作用和高频响应特性,因而是光通信理想的探测器件。     

免光学间隔层的高效聚合物太阳能电池

使用相对聚(3乙基噻吩)(P3HT)具有更低能带结构的聚{[9-(1辛基壬基)-9H-咔唑-2,7-2基]-2,5-噻吩二基-2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二基-2,5噻吩二基}(PCDTBT)作为电子给体材料和较C60衍生物(PC60BM)具有更广光谱吸收能力的C70衍生物(PC70BM)作为电子受体材料构建共混体系活性层,制备有机聚合物太阳能电池。通过控制活性层薄膜生长速度、环境得出在N2环境中静置10min时聚合物电池达到了5.65%的高光电转换效率(PCE)。然后,通过进一步优化活性层薄膜厚度短路电流密度大幅提升至14.2mA/cm2,PCE达到5.84%。结果表明,在不使用TiOx等光学间隔层的情况下,通过控制活性层薄膜生长过程和优化活性层薄膜厚度也可以大幅增加短路电流密度,获得高的PCE。     

碳纳米管掺杂对聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)对苯乙炔-PbSe量子点复合材料性能的影响

基于碳纳米管的良好导电性、激子传输性能和量子点聚合物复合材料高的光电转换性能, 采用原位缩合法制备了聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔(MOPPV)功能化碳纳米管(SWNT)-PbSe量子点复合材料, 通过对复合材料的X射线衍射、透射电子显微镜和紫外可见吸收光谱研究, 发现MOPPV, SWNT与PbSe量子点可以有效地复合, 且SWNT与MOPPV形成网状结构; PbSe量子点尺寸为5.75 nm, 其可均匀地分散在MOPPV-SWNT基体中形成包覆或镶嵌结构, 并发生了光诱导电荷转移.通过对复合材料的光电性能研究发现, 当MOPPV, SWNT, PbSe三者的质量比为1: 0.3 : 1 时其光电性能最好, 开路电压为0.556 V, 短路电流为2.133 mA, 填充因子为34.48%, 转换效率为0.452%, 与聚合物MOPPV-PbSe量子点复合材料材料相比, 光电性能提高了2–3倍. 关键词： 量子点 碳纳米管 复合材料 转换效率     

基于小分子半导体IEICO的高性能倍增型有机光电探测器

采用溶液法制备了结构为ITO/ZnO/P3HT∶IEICO/Al和ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶IEICO/Al的倍增型有机光电探测器,活性层中电子给体(P3HT)和电子受体(IEICO)的质量比为100∶1。以氧化锌(ZnO)为界面层的器件在正向与反向偏压下都能良好工作,而以PEDOT∶PSS为界面层的器件只能在反向偏压下工作。-15 V偏压下,与PEDOT∶PSS界面层器件相比, ZnO界面层器件的暗电流密度(2.2μA/cm~2)降低4倍以上,1.5 mW/cm~2光照下的光电流密度(3.7 mA/cm~2)提高3倍以上,外量子效率(External quantum efficiency,EQE)平均值(3262%)、响应度平均值(13.3 A/W)和探测灵敏度平均值(1.6×10~(13) Jones)分别提高4倍、4倍和11倍以上。这些结果表明,以ZnO为倍增型有机光电探测器的界面层,可以降低器件的暗电流密度并提高器件的EQEs,从而显著提高器件的光电性能。     

硅基底石墨烯器件的现状及发展趋势

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列而形成的具有蜂窝状结构的二维晶体材料,特殊的结构赋予了其优异的性能,如高载流子迁移率、电导率、热导率、力学强度以及量子反常霍尔效应.由于石墨烯优异的特性,迅速激起了人们对石墨烯研究以及应用的热情.石墨烯沉积或转移到硅片后,其器件构建与集成和传统硅基半导体工艺兼容.基于石墨烯的硅基器件与硅基器件的有机结合,可以大幅度提高半导体器件的综合性能.随着石墨烯制备工艺和转移技术的优化,硅基底石墨烯器件将呈现出潜在的、巨大的实际应用价值.随着器件尺寸的纳米化,器件的发热、能耗等问题成为硅基器件与集成发展面临的瓶颈问题,石墨烯的出现为解决这些问题提供了一种可能的解决方案.本文综述了石墨烯作为场效应晶体管研究的进展,为解决石墨烯带隙为零、影响器件开关比的问题,采用了量子限域法、化学掺杂法、外加电场调节法和引入应力法.在光电器件研究方面,石墨烯可以均匀吸收所有频率的光,其光电性能也受到了广泛的关注,如光电探测器、光电调制器、太阳能电池等.同时,石墨烯作为典型的二维材料,其优越的电学性能以及超高的比表面积,使其作为高灵敏度传感器的研究成为纳米科学研究的前沿和热点领域.     

大面积单层二硫化钼的制备及其光电性能

过渡金属硫族化合物(TMDCs)材料具有优异的电学和光电性能,在下一代光电子器件中具有广阔的应用前景.然而,大面积均匀生长单层的TMDCs仍然具有相当大的挑战.本工作提出了一种简单而有效的利用化学气相沉积(CVD)制备大面积单层二硫化钼(MoS₂)的方法,并通过调整氧化物前驱体的比例,调整MoS₂单晶/薄膜生长.随后,利用叉指电极掩膜板制备出单层MoS₂薄膜光电探测器.最后,在405 nm激光激发下,不同电压和不同激光功率条件下均表现出高稳定和可重复的光电响应,响应时间可达毫秒(ms)量级.此外,该光电探测器实现了405—830 nm的可见光到近红外的宽光谱检测范围,光响应度(R)高达291.7 mA/W,光探测率(D^*)最高达1.629×10⁹ Jones.基于该CVD制备的单层MoS2薄膜光电探测器具有成本低、能大规模制备,且在可见光到近红外的宽光谱范围内具有良好的稳定性和重复性的优点,为未来电子和光电子器件的应用提供了更多的可能性.