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。     

具有混合结构的三基色有机光电探测器的光电特性

采用溶液旋涂和高真空蒸镀工艺制备了平面和体异质结混合型器件结构的三基色有机光电探测器,利用实验分步探究其不同组分的活性层厚度、混合度以及前置吸收层对器件光电特性的影响.在此基础上,对三基色有机光电探测器进行样品制备及测试.结果表明,混合型结构的光电探测器件对光的吸收几乎覆盖整个可见光区域,对350~700nm范围的光呈现出类似于平台式的宽光谱响应.该器件在-1V偏置电压下,对红、绿、蓝光的比探测率分别为2.89×10~(11) Jones、3.22×10~(11) Jones、1.97×10~(11)Jones,表明该器件对红、绿、蓝光有较好探测效果,尤其对红光的探测率有3~4倍提升.     

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.     

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.     

高响应度倍增型碳纳米管-有机红光探测器

采用溶液旋涂方法将单壁碳纳米管与有机红光材料结合并制作出红光探测器,研究了单壁碳纳米管对PBDTTT-F∶PCBM本体异质结活性层薄膜的影响机理及其红光探测器的光电特性.利用原子力显微镜,荧光光谱和紫外-可见吸收光谱等方法对器件进行性能表征及优化.当单壁碳纳米管为最优掺入比1.5wt%时,在-1V偏置电压时,红光光照下该探测器响应度为535mA/W,比探测率达到3.8×1012 Jones,外量子效率达到104%.结果表明,将单壁碳纳米管与有机红光材料结合,有利于提高有机共轭聚合物的聚集以及结晶度,增强光吸收,可为活性层提供高迁移率的电荷传导通道,优化薄膜互穿网络形貌.同时,利用碳纳米管的多激子产生效应,使得有机光电探测器的光电性能大大改善,外量子效率超过100%,为无机-有机光电探测器的进一步开发提供参考.     

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.     

Realizing photomultiplication-type organic photodetectors based on C_(60)-doped bulk heterojunction structure at low bias

Photomultiplication(PM) structure has been widely employed to improve the optoelectronic performance of organic photodetectors(OPDs). However, most PM-type OPDs require a high negative operating voltage or complex fabrication. For obtaining high-efficiency OPDs with low voltage and easy process, here the bulk heterojunction(BHJ) structure of high exciton dissociation efficiency combined with the method of trap-assisted PM are applied to the OPDs.In this paper, we investigate the operating mechanism of OPDs based on poly(3-hexylthiophene)(P3 HT):(phenyl-C61-butyric-acid-methyl-ester)(PC61 BM), and poly-{[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]-benzo[1,2-b:4,5-b]dithiophene-2,6-diyl]-alt-[3-fluore-2-(octyloxy)carbonyl-thieno[3,4-b]thiophene-4,6-diyl]}(PBDT-TT-F):PC_(61)BM doped with C_(60) as active layer.Furthermore, the influence of C_(60) concentration on the optoelectronic performances is also discussed. With 1.6 wt.% C_(60)added, the P3 HT:PC_(61)BM:C_(60) OPD exhibits a 327.5% external quantum efficiency, a 1.21 A·W~(-1) responsivity, and a4.22 x 1012 Jones normalized detectivity at-1 V under 460 nm(0.21 mW·cm~(-2)) illumination. The experimental results show that the effective electron traps can be formed by doping a small weight of C_(60) into BHJ active layer. Thus the PM-type OPDs can be realized, which benefits from the cathode hole tunneling injection assisted by the trapped electrons in C_(60) near the A1 side. The efficiency of PM is related to the C_(60) concentration. The present study provides theoretical basis and method for the design of highly sensitive OPDs with low operating voltage and facile fabrication.     

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.     

基于半导体性单壁碳纳米管/富勒烯异质结的高性能透明全碳光电探测器

利用半导体性单壁碳纳米管(SWCNT)的高吸收系数、优异的光电特性和高载流子迁移率等特点,本文构筑了基于半导体SWCNT(sc-SWCNT)/富勒烯(C₆₀)异质结的透明全碳宽光谱的场效应晶体管光电探测器。该器件的大部分结构均由碳基材料组成,全碳异质结作为导电沟道材料,金属性SWCNT作为源漏电极,氧化石墨烯(GO)作为介质层,在可见光波段的透光率均高于80%。电学测试结果表明：该光电探测器表现出了较强的栅控能力,实现了从405～1 064 nm的可见光-近红外宽光谱响应,在5 mW/cm²的940 nm激光照射下,该器件光电响应率可以达到18.55 A/W,比探测率达到5.35×10¹¹ Jones,同时,表现出了优异的循环稳定性。     

基于PIN光电二极管的微型一氧化氮化学发光传感器

以微型、低成本的PIN光电二极管为光电探测元件,研制了微型一氧化氮化学发光传感器;选取Si探测器和InGaAs探测器的5种光电元件,考察其与一氧化氮发光光谱响应及噪声的关系。结果表明:边长为1.2mm的正方形Si探测器响应灵敏,暗电流噪声低,信噪比最低;设计的小型光腔实现了微量一氧化氮(体积分数为2×10~(-6)～2×10~(-4))的测量,线性度为0.9993;整个系统的响应时间为0.13s,传感器的质量小于50g,非常适合用于工业污染源一氧化氮气体的在线监测。     

低工作电压聚噻吩薄膜晶体管

以高掺杂Si单晶片作为衬底且充当栅电极,采用磁控溅射法在硅片上沉积HfTiO薄膜作为栅介质层,聚三己基噻吩(P3HT)薄膜作为半导体活性层,金属Au作为源、漏电极,并采用十八烷基三氯硅烷(OTS)对栅介质层表面修饰,在空气环境下成功地制备出聚合物薄膜晶体管(PTFT).PTFT器件测试结果表明,该晶体管在低的驱动电压(<-1 V)下仍呈现出良好的饱和行为,其阈值电压和有效场效应迁移率分别为0.4 V和2.2×10^-2 cm²/V ·s.通过对金属-聚合物-氧化物 关键词： 聚合物薄膜晶体管 聚三己基噻吩 场效应迁移率 k栅介质')" href="#">高k栅介质     

2,6-双(三甲基锡)-4,8-双(2-乙基己氧基)苯并[1,2-b∶4,5-b']二噻吩的合成与多核NMR研究

以苯并[1,2-b∶4,5-b´]二噻吩-4,8-二酮为原料合成了一种聚合物太阳能电池材料的单体2,6-双(三甲基锡)-4,8-双(2-乙基己氧基)苯并[1,2-b∶4,5-b´]二噻吩. 通过多核1D和2D NMR技术（包括1D ¹H、¹³C、¹¹⁹Sn、¹¹⁷Sn NMR、DEPT、选择性1D TOCSY及2D¹H-¹H COSY、gHSQC、gHMBC）表征了目标分子结构,完成了 ¹H、¹³C、¹¹⁹Sn 与¹¹⁷Sn NMR化学位移归属,并探讨了该化合物的NMR谱线特征.     

基于窄带隙聚合物的高性能可见-近红外光伏探测器

聚合物光伏探测器是一种极具应用前景的新型光电探测器件.研究了基于窄带隙聚合物的高性能可见-近红外光伏探测器,结果表明,所制备的光伏探测器在可见至近红外光谱范围内具有宽的光谱响应(380—960 nm)、出色的响应度(840 nm时达到380 mA/W)和归一化探测度;同时,器件在暗态反偏条件下的能级示意图揭示了器件内平均电场较低是较厚光敏层器件具有低噪声电流的主要原因.电容-电压与时间周期性响应曲线研究表明聚合物光伏探测器具有快速的响应能力和良好的周期重复性.     

平面型大光敏元InGaAs线列探测器及其应用

采用晶格匹配的平面型InP/In0.53Ga0.47As/InP外延材料,设计了一种大光敏元、带有保护环的InGaAs线列探测器。通过I-V测试、扫描电容显微技术(SCM)测试,研究并确定了线列器件的盲元与保护环结构之间的关系。通过设计改进,解决了器件的盲元问题。24×1 InGaAs线列短波红外探测在室温20 ℃、-10 mV偏压下,暗电流密度约5 nA/cm2。将光敏芯片密封在集成了热电制冷器(TEC)的金属管壳内,组件工作温度5 ℃,探测器响应光谱在1.0 μm~1.67 μm范围,平均峰值电流响应率为1.3 A/W,平均峰值探测率为3.4×1012 cm·Hz1/2/W,响应的非均匀性为1.5%。探测器经历一定条件的可靠性筛选试验后,性能未发生明显变化,并进行了航空机载成像应用,成像图片清晰。     

多层石墨烯纳米带光电探测器理论与性能分析

多层石墨烯具有超宽的光谱吸收范围及独特的光电性能,是制作下一代光电探测器件的理想材料。以石墨烯的带间隧穿理论为基础,提出了一个多层石墨烯纳米带结构的光电探测器模型,纳米带的两端与源极和漏极相连,夹在半导体基质和上下栅极之间。利用这个模型,建立了多层石墨烯纳米带探测器的光电转换机制,讨论了上栅极电压不同时探测器的工作原理,研究了源-漏极间光电流及暗电流与入射光能量的关系,探讨了探测器的偏置电压,耗尽层长度以及带隙取值对暗电流的影响,并分析了不同参数下探测器响应率以及探测率随入射光能量的变化关系。结果表明,探测器的响应率随纳米带层数的增加而增加,受带隙,耗尽层长度和偏置电压的影响,最大的响应率约为103 A·W-1; 通过限制上栅压,带隙等变量可以控制系统暗电流,增大探测器的探测率,最高探测率约为109 cm·Hz1/2·W-1。多层石墨烯纳米带结构可以增强探测器对入射光的吸收,提高探测器的灵敏度以及对弱光的探测能力,实现对太赫兹到远红外波段入射光的有效探测,探测性能远高于许多量子结构和窄带半导体结构的光电探测器。     

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。     

NiO_x作为空穴传输层对有机太阳能电池光吸收的影响

基于多层膜系模型的传输矩阵方法、麦克斯韦方程和光子吸收方程,研究了NiOx作为替代3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的空穴传输材料对聚3-己噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester,PC61BM)共混体异质结有机太阳能电池器件内部光电场分布和光吸收特性的影响.分别制备了以NiOx和PEDOT:PSS为空穴传输层,P3HT:PCBM为活性层的有机太阳能电池,并通过数值模拟的方法比较了NiOx和PEDOT:PSS两种空穴传输材料对器件光伏特性的影响.结果表明:10 nm的NiOx空穴传输层器件比40 nm的PEDOT:PSS器件获得了更大的短路电流和填充因子,并具有更高的能量转化效率.     

具有变革性特征的红外光电探测器

现代红外光电探测技术有着近八十年的历史.从二战期间第一个可实用PbS红外探测器到第三代红外光电探测器概念的提出,红外光电探测技术经历了翻天覆地的变化.以碲镉汞、锑化铟、铟镓砷为代表的传统红外光电探测器已在军事、遥感、通信、生命科学和宇宙探索等领域发挥着至关重要的作用.随着人类对光电探测不断增长的需求,尤其近几年来在人工智能、大数据、智慧城市等方面对红外信息的探测和智能感知有着强烈的需求,大幅降低红外光电探测器的尺寸(size)、重量(weight)、功耗(power)和价格(price),以及提高探测器的性能(performance)迫在眉睫.因此,要满足上述需求,必须要寻找具有变革性特征的红外光电探测器件.当前红外探测器正处于新旧更迭的时代,一大批新型红外光电探测器涌出.本文系统地介绍了一些具有变革性特征的红外探测器前沿内容,主要包括:人工光子微结构调控的新型红外探测器、基于能带工程的红外探测器、新型低维材料红外探测器,以及传统红外探测器的新方向.最后,展望了红外光电探测未来发展面临的机遇和挑战.     

高分子有机场效应晶体管中半导体薄膜结晶行为及微观结构变化的研究

为了探索高分子有机场效应晶体管(OFET)中高分子自组织机理与电荷传输的关联性,采用同步辐射掠入射X射线衍射技术研究了高分子OFET中以高度区域规则的聚(3-己基噻吩)(RR-P3HT)为代表的半导体层的结晶行为及微观结构组织变化,及其引起的高分子半导体电荷传输机理.研究发现,采用自组装单分子层(SAMs)技术进行界面修饰,可以完善绝缘层与RR-P3HT半导体层之间的界面效果.SAMs的形成改善了界面,可以有效地控制上层RR-P3HT半导体层的结晶性及微观结构,使较多的噻吩环面垂直于衬底、得到π-π堆积方向平行于衬底的二维微晶粒薄片结构,这种微观结构有效地形成了二维共轭电荷传输通道,完善了在RR-P3HT工作层生长过程中的自组织机理;并且对于RR-P3HT半导体工作层来说,慢速生长过程比快速生长过程更有利于有效的二维共轭微晶粒薄片生长,更能完善RR-P3HT工作层生长过程中的自组织机理. 关键词： 高度区域规则的聚(3-己基噻吩)有机场效应晶体管 同步辐射掠入射X射线衍射 自组织机理 微观结构