[发明专利]柔性全波段光电材料、光电器件及其制造方法

说明书

本发明提供了一种柔性全波段光电材料、光电器件及其制造方法，其中的柔性全波段光电材料，包括纳米颗粒的四氟化钇钠、镱和铒。利用有机半导体材料作为柔性光电活性层，利用稀土掺杂纳米颗粒作为光波长转换材料，通过将有机半导体不能吸收的红外光转换为可被有机半导体吸收的可见光，从而把光电器件的探测波长扩展到红外区域，实现柔性光电器件对全波段光子的探测。本发明具有工艺简单、制造成本低、可实现全波段光电探测、光响应率高以及高柔性等优点，在光探测、可穿戴设备、光子储存设备等多种领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体的说是一种柔性全波段光电材料、光电器件及其制造方法。

背景技术

目前，光电器件的关键材料主要采用无机半导体材料，例如硅、锗、III-V 族半导体和II-VI族半导体材料(砷化镓、砷化镓铟、碲化镉、碲化镉汞)。无机半导体光电器件的探测波长由带隙宽度决定，例如硅材料的带隙宽度是1.12 eV，对应的探测波长为小于1100nm。无机半导体光电器件的优点是可以通过调节半导体材料组成成分来调节器件的带隙宽度从而调节所探测光的波长范围 (如HgCdTe材料)。为了直接探测光子能量较低的红外光，无机半导体光电材料的带隙宽度需要被调整到足够小(≤红外光的光子能量)，较小的带隙宽度使得无机半导体光电材料对温度很敏感，在常温下的暗电流较大，从而降低了信噪比。为了解决这一问题，无机半导体红外光电器件通常需要冷却装置，冷却装置也大大增加了无机半导体红外光电器件的成本。另外，无机光电器件的制造过程复杂，需要采用多种物理化学方法以及昂贵的设备，例如物理气相沉积、分子束外延生长等，因此具有较高的制造成本。由于无机材料本身的机械脆性，无机半导体光电器件不具有柔性，不适于下一代柔性器件和可穿戴器件的制造。与无机半导体材料相比，有机半导体材料具有成本低、易于加工、有柔性等优点。然而，有机半导体材料通常具有较大的带隙宽度，无法吸收光子能量较低的红外光。例如，3-己基取代聚噻吩(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)， P3HT)作为一种常用的有机半导体材料，被广泛应用于有机太阳能电池和光电器件中。P3HT的带隙宽度是1.9eV，对应的吸收波长是约为650nm，因此，P3HT 无法吸收波长大于650nm的红光以及红外光。一种有效的方案是利用稀土掺杂材料作为光转换材料，将红外光转换为P3HT可以吸收的可见光，可见光随后被P3HT吸收产生光激子(即电子-空穴对)，在外加电场的作用下得到光电流。

发明内容

本发明提供了一种柔性全波段光电材料、光电器件及其制造方法，通过将有机半导体不能吸收的红外光转换为可被有机半导体吸收的可见光，从而把光电器件的探测波长扩展到红外区域，实现柔性光电器件对全波段光子的探测。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来具体实现：

柔性全波段光电材料，包括镱和铒掺杂的四氟化钇钠核壳纳米颗粒。

所述四氟化钇钠、镱和铒的比例为按照质量分数钇50％-95％，优选值78％，镱5％-50％，优选值20％，铒0.5％-10％，优选值2％。

柔性全波段光电材料的制造方法，包括：

将稀土氧化物溶解到三氟乙酸中制备三氟乙酸盐溶液，将溶液蒸干后得到稀土三氟乙酸盐粉末；

然后将稀土三氟乙酸盐粉末以及三氟乙酸钠粉末加入到油胺、油酸和十八烯的溶液中，在保护气氛下搅拌均匀得到混合溶液；

对所述混合溶液加热并继续搅拌，混合溶液中的稀土三氟乙酸盐以及三氟乙酸钠受热分解并反应生成镱和铒掺杂的四氟化钇钠纳米颗粒；

再次向混合溶液中加入含有三氟乙酸钇和三氟乙酸钠的油酸油胺溶液，并继续搅拌反应，在镱和铒掺杂的四氟化钇钠纳米颗粒表面形成一层无稀土掺杂的四氟化钇钠壳，从而得到四氟化钇钠复合纳米颗粒层。

所述加热的温度为260-360℃，优选为300℃。