[发明专利]一种级联结构有机光电探测器及其制备方法

说明书

一种宽带、低噪声、超快响应的级联结构有机光电探测器及其制备方法，属于有机光电器件技术领域。由ITO导电玻璃阴极、ZnO阴极缓冲层、PTB7‑Th:ITIC底部有源层、MoO₃/Ag/PEIE内部复合区、PTB7‑Th:FOIC顶部有源层、MoO₃阳极缓冲层和Ag阳极组成。全色光照射条件下，内部复合区形成一个复合中心，保证级联结构光电探测的正常工作；单色光照射时，器件内仅有底部或顶部子单元表现出p‑i‑n结的特性，另一个子单元则等效于导体进行载流子传输，减少器件内界面捕获效应，使器件响应速度提高；暗态条件下MoO₃和PEIE分别阻挡来自顶层的电子和来自底层的空穴，有效提高电子和空穴的注入势垒/势阱，使暗电流降低。

技术领域

本发明属于有机光电器件技术领域，具体涉及一种级联结构有机光电探测器及其制备方法。

背景技术

溶液法制备的有机光电探测器(OPD)由于具有成本低、重量轻、易加工和可弯曲等优点备受关注。有机光电探测器针对可见光和近红外光的超快响应和高灵敏度探测是适用于医疗检测、人工智能等领域的必要条件。截至目前，有机光电探测器已经分别实现了紫外-可见光-近红外光的宽波段、高灵敏探测，但响应速度慢(微秒量级)这一问题仍限制有机光电探测器的发展。这主要由于大多数有机材料载流子迁移率低、吸收范围不足、电阻-电容(RC)时间常数大、器件的界面俘获效应等原因，因此适当更换载流子迁移率较高、具有更宽吸收的有机材料作为有源层，通过优化有源层厚度、更换合适的光电探测器结构降低器件RC时间常数，通过结构设计减少器件的界面俘获效应来有效提升光电探测器响应速度，实现高灵敏、宽范围的超快有机光电探测器。

发明内容

本发明的目的是采用简单的工艺提供一种宽带、低噪声、超快响应的级联结构有机光电探测器及其制备方法。

该级联结构有机光电探测器从下至上，依次由ITO导电玻璃阴极、ZnO阴极缓冲层、PTB7-Th:ITIC底部有源层、MoO₃/Ag/PEIE内部复合区、PTB7-Th:FOIC顶部有源层、MoO₃阳极缓冲层、Ag阳极组成。器件中所选用的给体材料PTB7-Th(poly[4,8-bis(5(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiopheneco-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate])和受体材料ITIC(3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2’,3’-d’]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b’]dithiophene)主要吸收可见光，非富勒烯体材料FOIC主要吸收近红外光，具有互补吸收光谱的给受体材料是实现宽带探测器提供基本条件。MoO₃/Ag/PEIE内部复合区中，MoO₃作为电子阻挡层，PEIE作为空穴阻挡层，在全色光照射的条件下，内部复合区形成一个复合中心，内部复合区两侧等量的电子和空穴在内部复合区中复合，保证有机光电探测器的正常工作。暗态条件下，内部复合区中MoO₃和PEIE能够分别阻挡来自顶部有源层的电子和来自底部有源层的空穴，有效提高电子和空穴的注入势垒/势阱，使暗电流降低，进而导致更低的噪声电流，能够有效提升器件的灵敏度。

将级联有机光电探测器等效为由两个p-i-n结串联的电路，可见光部分和近红外光部分等效为两个p-i-n结，每个结包括一个结电阻和一个结电容；器件的寄生电容由C_p表示；器件的等效级联电阻由R_s表示，它包括有机材料的体电阻、电极电阻和层间的接触电阻。当单色光从ITO侧入射，可见光部分和近红外光部分中的某一个对该波段单色光有效吸收产生载流子，表现出p-i-n结的特性。而二者中的另一个由于没有相对应的光吸收而无法产生载流子，在电路中等效于一个平板电容器，载流子不需要穿越界面被相应电极收集，大大减小界面捕获效应，从而实现级联器件的超快响应。