[发明专利]一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器

说明书

本发明公开了一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器，属于有机光电器件领域。该探测器的器件结构从下到上依此为衬底、导电阳极、空穴传输层、光活性层、电子传输层和金属阴极，所述的光活性层是由聚合物给体和特定的聚合物受体PNDI‑DTBT共混形成的体异质结。在合理筛选聚合物给体和活性层形貌优化的协同作用下，光活性层具有合适的相分离尺度和优势的垂直相分布，在‑0.1V的工作电压下，探测器获得了低于10^‑10A cm^‑2的暗电流密度和超过10¹⁴Jones的比探测率，实现了一种高探测率、低暗电流的全聚合物光探测器。

技术领域

本发明属于有机光电探测器技术领域，具体涉及一种具有高探测率和低暗电流的全聚合物光探测器。

背景技术

近年来，随着有机半导体材料和器件的迅猛发展，有机光电探测器(OPDs)逐渐成为了光探测器领域的研究热点。与传统的已商业化的无机光电探测器相比，有机光电探测器具有质轻、柔性、可在室温下工作、可溶液加工、可制备大面积器件等优点。而且，有机半导体的来源广泛、种类繁多、吸收光谱可调使得探测器的发展空间得到了大幅度的扩展。因此，有机光电探测器在健康监测、人工视觉、光通信、夜视、生物医学成像、图像传感器等领域有着广泛的应用前景(Adv.Mater.2020,32,1902045)。

作为探测器的核心性能参数，比探测率D*表示了探测器件对光的探测能力。在只考虑散射噪声的条件下，比探测率可以由以下公式计算得到：

从上式可以看出，如果想获得一个高探测性能的有机光探测器，需要获得在特定波长λ下实现较高的外量子效率EQE和较低的暗电流密度J_d，以达到高的比探测率。对于非倍增型的光探测器而言，EQE的变化范围有限，均小于100％。然而，不同光活性层体系的暗电流却相差悬殊，有的差别达到了几个数量级。因此，从提高比探测率的角度上，显著降低暗电流是实现高性能OPDs的一种有效策略。

为了降低OPDs的暗电流，不同研究人员提出了不同的解决方案。Paul Meredith等人将基于PCDTBT:PC₇₁BM的OPDs活性层厚度从100nm增加到700nm后，暗电流从60nA急剧下降到0.2nA，最终器件的比探测率显著提高至10¹³Jones的数量级(LaserPhotonics Reviews,2015,8,924)。同样地，应磊等人通过将活性层厚度从110nm增加到300nm，-0.1V下的J_d从5.38×10^-8A cm^-2降到了4.85×10^-10A cm^-2，降低幅度达2个数量级，成功实现了2.61×10¹³Jones的基于NT40:N2200的高性能OPDs(ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,14208)。此外，除了适当增加活性层的厚度，合适的垂直相分离也能降低负偏压下的电荷注入，抑制OPDs的暗电流。梁永晔等人在聚合物PBT(TH)和PBD(TH)的侧链上引入EDOT单元，设计合成了PBT(EDOT)和PBD(EDOT)两种聚合物，分别与PC₆₁BM和PC₇₁BM搭配制备OPDs，实验结果表明EDOT的引入增加了聚合物与下层空穴传输层PEDOT:PSS之间的相互作用，形成了有利的垂直相分离，在PEDOT:PSS表面附近形成聚合物富集层，因此暗电流减少了约2个数量级，相应的探测器实现了10⁶～10⁷的电流开关比和约10¹³Jones的比探测率(Adv.Mater.2015,27,6496)。