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。     

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.     

基于石墨烯-钙钛矿量子点场效应晶体管的光电探测器

以等离子增强化学气相沉积法制备的石墨烯作为导电沟道材料,将其与无机CsPbI_3钙钛矿量子点结合,设计并制备了石墨烯-钙钛矿量子点场效应晶体管光电探测器.研究和分析了石墨烯作为场效应晶体管的电学特性及其与钙钛矿量子点结合作为光电探测器的光电特性.结果表明,石墨烯在场效应晶体管中表现出良好的电学性质,其与钙钛矿量子点的结合对波长为400 nm的光辐射具有明显的光响应,在光强为12μW时器件光生电流最大为64μA,响应率达6.4 A·W~(-1),对应的光电导增益和探测率分别为3.7×10~4,6×10~7Jones(1 Jones=1 cm·Hz~(1/2)·W~(-1)).     

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.     

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。     

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。     

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.     

基于模板剥离法制备高性能钙钛矿单晶薄膜光电探测器

近年来,杂化钙钛矿半导体材料由于其带隙可调、吸收系数高、载流子迁移率高、成本低廉等诸多优点,在光电器件领域备受青睐,如太阳能电池、电致发光器件、光电探测器等。其中,钙钛矿单晶薄膜因其无晶界、杂质和缺陷含量低等特点,展现出更为优异的光学、电学特性,成为制备高性能光电器件的理想材料体系。然而,钙钛矿单晶薄膜常采用空间限域法直接生长在空穴传输层上,不可避免地将导致界面缺陷和载流子层间输运等问题,严重制约了钙钛矿单晶薄膜光电探测器的性能。为此,本文通过引入模板剥离法工艺技术,在钙钛矿单晶薄膜两侧分别蒸镀功能层材料,制备了结构为Cu/BCP/C₆₀/MAPbBr₃/MoO₃/Ag的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。基于模板剥离法,两侧蒸镀的功能层与钙钛矿单晶薄膜接触紧密,将有效改善载流子的注入和传输;同时,优化的器件结构以及考虑能带匹配等因素可实现高灵敏、响应快速的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。改进后器件的开关比高达3.1×10³,响应度可达7.15 A/W,探测率为5.39×10¹² Jones,...     

基于标准CMOS工艺的UV/blue光电探测器

基于UMC 0.18μm CMOS工艺,提出一种适合紫外/蓝光探测的探测器,该器件由栅体互联的NMOS晶体管和横向/纵向光电二极管构成.其中,浅结的光电二极管由UMC工艺中Twell层(浅P阱)和Nwell层形成,以增强其对紫外/蓝光的吸收,栅体互联的NMOS晶体管可以放大光电流,提高探测器的灵敏度和动态范围.仿真结果表明,本文设计的紫外/蓝光探测器具有低的工作电压和暗电流,对300~550nm波长范围的光具有高的响应度和宽的动态范围.在弱光条件下(光强小于1μW/cm2),响应度优于105 A/W,随着光强增大,响应度逐渐降低,但总体仍超过103 A/W.     

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.     

高比探测率和高速石墨烯/n-GaAs复合结构的光电探测器

混合结构的石墨烯/半导体光电晶体管因其超高的响应度而备受关注。然而,该类光电晶体管通过源-漏电极测试得到的比探测率(D*)容易受到1/f噪声的限制。本文制备了混合结构的石墨烯/GaAs光电探测器,通过源-栅电极测得D*大约为1.82×10¹¹ Jones,与通过源-漏电极测量相比,D*提高了约500倍。这可归因于界面上肖特基势垒对载流子俘获和释放过程的屏蔽作用。此外,探测器的上升时间和下降时间分别是4 ms和37 ms,响应速度相应地提高了2个数量级。该工作为制备高比探测率和高速的光电探测器提供了一种新的思路。     

基于VO_2薄膜非致冷红外探测器光电响应研究

VO2 薄膜是非致冷微测辐射热红外探测器热敏电阻材料 .研究中应用微电子工艺制备了VO2 溅射薄膜红外探测器 ,在 2 96K的环境中测试了该探测器在不同的直流偏置、光调制频率下对 873K标准黑体源 8— 12 μm红外辐射的光电响应以及器件的噪声电压 ,在 10和 30Hz的调制频率下其响应率分别大于 17kV/W和接近 10kV/W .该探测器实现了探测率D 大于 1 0× 10 8cmHz/W ,热时间常量为 0 0 11s的 8— 12 μm非致冷红外探测     

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。     

喷墨打印垂直有机光晶体管及其性能优化

通过旋涂透明源极并在其上采用喷墨打印的方式制备有源层及源漏电极,从而得到一种垂直结构光晶体管,并获得了较好的光电性能,其响应率为～1 500A/W,探测率可达1.6×10~(14) Jones。向有源层中掺杂一定比例的电子捕获材料PCBM,使有源层中光生空穴复合减小,光生电流增大,从而进一步提高其光探测性能。研究发现当掺杂5wt%电子捕获材料时,垂直结构光晶体管性能达到最优,响应率为～6 000A/W,探测率可达1.4×10~(15) Jones.     

多孔GaN/CuZnS异质结窄带近紫外光电探测器

窄带光电探测系统在荧光检测、人工视觉等领域具有广泛应用.为了实现对特殊波段的窄带光谱探测,传统上需要将宽带探测器和光学滤波片集成.但是,随着检测技术的发展,人们对探测系统的功耗、尺寸、成本等方面也提出了更高要求,结构复杂、成本高的传统窄带光电探测器应用受到限制.于是,本文展示了一种基于多孔GaN/CuZnS异质结的无滤波、窄带近紫外光电探测器.通过光电化学刻蚀和水浴生长方法,分别制备了具有低缺陷密度的多孔GaN薄膜和高空穴电导率的CuZnS薄膜,并构建了多孔GaN/CuZnS异质结近紫外光电探测器.得益于GaN的多孔结构和CuZnS的光学滤波作用,器件在–2 V偏压、370 nm紫外光照下,光暗电流比超过4个数量级;更重要的是,器件具有超窄带近紫外光响应(半峰宽<8 nm,峰值为370 nm).此外,该探测器的峰值响应度、外量子效率和比探测率分别达到了0.41 A/W, 138.6%和9.8×10¹² Jones.这些优异的器件性能显示了基于多孔GaN/CuZnS异质结的近紫外探测器在窄光谱紫外检测领域具有广阔的应用前景.     

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.     

基于二维材料二硒化锡场效应晶体管的光电探测器

以二硒化锡作为沟道材料,设计并制备基于二硒化锡场效应晶体管的光电探测器.以化学气相输运法制备的二硒化锡纯度高且结晶度良好,对二硒化锡使用机械剥离法制备出层状二硒化锡,薄膜的横向尺寸最大可达25—35μm,最薄厚度仅为1.4 nm,使用图形转移法制备基于二硒化锡的场效应晶体管,表面光滑无褶皱,且表现出良好的电学性质,呈现出n型半导体的特征,作为光电探测器对波长分别为405, 532, 650 nm的三基色光表现出明显的光响应.尤其是对405 nm的蓝紫光响应度最高,在光强为5.40 m W/cm~2时,响应度达到19.83 AW~(–1),外量子效率达到6.07×10~3%,探测率达到4.23×10~(10) Jones,并且具有快速的响应速度,响应反应时间为23.8 ms.结果表明二硒化锡在可见光光探测器和新一代光电子器件中具有潜在的应用前景.     

基于Au纳米岛修饰的CdSSe纳米带光电探测器

三元合金CdS_xSe_1–x兼具CdS和CdSe的物理性质,其带隙可以通过改变元素的组分来调节.该合金具有优异的光电性能,在光电器件方面具有潜在的应用价值.本文首先通过热蒸发法制备了单晶CdS_0.42Se_0.58纳米带器件,在550 nm光照及1 V偏压下,器件的光电流与暗电流之比为1.24×10³,光响应度达60.1 A/W,外量子效率达1.36×10⁴%,探测率达2.16×10¹¹ Jones,其上升/下降时间约为41.1/41.5 ms.其次,通过Au纳米岛修饰该CdS_0.42Se_0.58纳米带后,器件的光电性能显著提升,在550 nm光照及1 V偏压下,器件的光开关比、响应度、外量子效率及探测率分别提高了5.4倍、11.8倍、11.8倍和10.6倍,并且上升/下降时间均缩短了近一半.最后基于Au纳米岛的局域表面等离子共振解释了器件光电性能增强的微观物理机制,为在不增大器件面积的前提下,...     

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.     

石墨烯/二氧化钛异质结场效应探测器光电特性

利用二氧化钛薄膜光吸收及表面钝化特性,在硅晶圆基底表面制备石墨烯/二氧化钛异质结场效应管光电探测器,并研究其光电响应特性.结果表明,二氧化钛钝化后的探测器可以有效抑制沟道表面的气体小分子吸附,降低器件的暗电流漂移;同时,探测器利用石墨烯的电荷敏感和复合薄膜的光谱吸收特性,显著提高了石墨烯场效应管的响应度.紫外波段,顶层二氧化钛吸光产生的光生电子将注入到石墨烯沟道中,对石墨烯沟道产生n型掺杂,器件最大响应度可达3.5×10~5A/W.在可见光波段,因为二氧化钛层与石墨烯薄膜间存在杂质能级,界面间的电荷转移使沟道载流子寿命显著提高.相对于传统的二氧化钛阵列探测器,该探测器在响应波段与响应度性能上都具有明显优势.