[发明专利]一种含非富勒烯受体的近红外光谱响应聚合物光探测器件

说明书

本发明公开了一种含非富勒烯受体的近红外光谱响应聚合物光探测器件。该器件由衬底、底电极、底电极修饰层、有机光活性层、顶电极修饰层及顶电极构成。有机光活性层是由高空穴迁移率共轭聚合物Si25和非富勒烯受体小分子IEICO‑4F共混形成的本体异质结薄膜。基于两种材料良好的吸收光谱互补，器件对300‑1020nm光谱范围表现出响应特征。通过增加光活性层厚度，器件在反向偏压下的暗电流密度低至4.4×10^‑9Acm^‑2。对于波长为940nm的近红外入射光，该器件在反向偏压下的探测率可达到1.0×10¹³cmHz^1/2W^‑1，并且在超过6个数量级的光功率范围，光电流密度与光强保持良好的线性关系。

技术领域

本发明属于有机光电材料和器件领域，具体涉及一种含非富勒烯受体的近红外光谱响应聚合物光探测器件。

背景技术

相对于传统无机半导体，基于共轭聚合物和有机小分子的有机半导体具有质量轻、加工成本低等优势，可用于制备大面积、柔性、便携式电子器件，并且有望成为新一代半导体材料。由两种或两种以上吸收光谱互补的有机半导体材料共混形成的本体异质结薄膜具有宽波段的吸收光谱，作为器件的有机光活性层，被广泛地应用于有机光探测器件。根据有机光探测器件的光谱响应范围，器件可被分为可见光有机光探测器，紫外有机光探测器和近红外有机光探测器。可见光探测器常用作相机传感器的感光元件。紫外光探测器主要应用于航天航空、军事工业等领域。对于近红外光的探测，由于近红外光波长更长，穿透性好，抗干扰能力强，在生物组织中传递衰减小，对人体伤害低，所以近红外光探测器可以被广泛地用于实现日常生活中的遥感控制、活体识别、生理检测等功能。

对于高灵敏的近红外有机光探测器件，器件既需要具备较低的暗电流密度，同时需要对近红外光表现良好的响应特性。在早期的有机光探测器件的相关研究中，大部分近红外有机光探测器件以窄带隙共轭聚合物和富勒烯衍生物分子作为器件的有机光活性层材料。尽管此类器件的暗电流密度能够被抑制到1nA cm^-2以下，但是由于富勒烯衍生物分子的光谱吸收分布于短波长范围，器件难以在长波长范围(800nm)获得最佳的光电流密度，比如文献(J.Mater.Chem.C,2017,5,159)在长波长范围(800nm)的外量子效率低于10％，因此基于窄带隙聚合物和富勒烯衍生物分子的有机光探测器件在近红外光谱的探测性能受到了限制。由于非富勒烯受体分子的吸收光谱可以通过分子工程拓展至近红外区域，并且目前已有不少含非富勒烯受体分子的聚合物光伏电池的短路电流密度可超过20mA cm^-2，比如文献(Joule,2019,3,1140)报导了在波长为800nm下的外量子效率可以超过70％。所以，将窄带隙非富勒烯受体小分子应用于制备有机光探测器，器件有望在近红外波段获得更可观的光电流密度和探测率。

发明内容

为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明提供了一种含非富勒烯受体的近红外光谱响应聚合物光探测器件。

本发明以一种由共轭聚合物Si25和非富勒烯受体小分子IEICO-4F共混形成的本体异质结薄膜作为器件的有机光活性层，以实现器件对近红外光的良好响应特性，利用正装结构器件实现了比倒装结构器件更优的近红外探测性能。

本发明提供的含非富勒烯受体的近红外光谱响应聚合物光探测器件，可与低成本商用近红外光源进行搭配，探测实验表明探测器件在线性度、频率响应、时间响应三个方面达到了较高水平。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的含非富勒烯受体的近红外光谱响应聚合物光探测器件是一种由共轭聚合物和非富勒烯受体小分子共混形成的本体异质结薄膜作为有机光活性层的一种具有近红外光谱响应的聚合物光探测器件。