發(fā)布時(shí)間：2020-07-23 18:38

【摘要】：隨著電子科技的高速發(fā)展,光電子產(chǎn)品在人類社會(huì)中扮演的角色越來(lái)越重要,普遍應(yīng)用于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。其中,光探測(cè)器作為光電子器件成員之一,為光電子領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn),尤其是寬光譜光探測(cè)器在各類光探測(cè)應(yīng)用中起著舉足輕重的作用�；趥鹘y(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的寬光譜光探測(cè)器已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟,成為現(xiàn)代光電子產(chǎn)業(yè)的重要支柱。然而,基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的寬光譜光探測(cè)器也存在不足的地方,如價(jià)格昂貴、制備過程復(fù)雜、資源消耗大、機(jī)械柔性差等諸多方面,不能滿足光探測(cè)器在新型應(yīng)用背景下日益增長(zhǎng)的需求。于是,具備價(jià)格便宜、制備容易、種類繁多、柔性襯底兼容性好等優(yōu)勢(shì)的有機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦引起了廣泛的關(guān)注。因此,我們開發(fā)了新一代基于有機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦活性材料的寬光譜光探測(cè)器,主要從三個(gè)方向成功構(gòu)筑了高性能的寬光譜光探測(cè)器:首先,光敏場(chǎng)效應(yīng)管具有柵壓調(diào)制功能,可放大光信號(hào)從而獲得高的光敏性能,但是基于全有機(jī)活性層的寬光譜光敏場(chǎng)效應(yīng)管的報(bào)道甚少。我們采用高遷移率的富勒烯C_(60)作為光敏場(chǎng)效應(yīng)管的溝道層,采用具有互補(bǔ)吸收光譜的三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)C_(60)/PTCDA/SnPc作為光敏層,通過溝道優(yōu)化成功研制了基于全有機(jī)活性層的寬光譜光敏場(chǎng)效應(yīng)管。利用溝道層和光敏層的高效協(xié)同作用,在300-1000 nm光譜范圍內(nèi)獲得了高達(dá)56.88 A/W光響應(yīng)度和9.15×10~(12) Jones的比探測(cè)率,從而實(shí)現(xiàn)了高性能的紫外-可見-近紅外寬光譜光探測(cè)。而且,用體異質(zhì)結(jié)替換平面異質(zhì)結(jié)光敏層,進(jìn)一步提升了光探測(cè)性能。接著,光敏二極管具有大的光線開口率、快的響應(yīng)速度和低的驅(qū)動(dòng)電壓等優(yōu)勢(shì)。相比于多層結(jié)構(gòu)器件,雙層結(jié)構(gòu)光敏二極管寄生電容小,有利于響應(yīng)速度提升。而由于有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜表面覆蓋度低、泄露電流太大而難以構(gòu)筑少層垂直結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光敏二極。我們采用聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修飾有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦(MAPbI_3)薄膜,通過優(yōu)化PVP的濃度獲得了最佳性能的鈣鈦礦薄膜,再結(jié)合近紅外敏感的有機(jī)半導(dǎo)體酞菁鉛(PbPc)形成異質(zhì)結(jié),成功構(gòu)筑了簡(jiǎn)單雙層垂直結(jié)構(gòu)寬光譜光敏二極管。在紫外-可見-近紅外光譜范圍,光譜均勻因子高達(dá)0.77,光響應(yīng)度超過10 A/W,響應(yīng)時(shí)間小于0.46 ms。最后,光電導(dǎo)探測(cè)器是一種無(wú)極性兩端光探測(cè)器,隨著外加電壓的增大可實(shí)現(xiàn)光電導(dǎo)增益,然而卻伴隨著增大的噪聲。我們采用紫外-可見光吸收的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦MAPbI_3和近紅外吸收的有機(jī)半導(dǎo)體酞菁錫(SnPc)作為活性層材料,構(gòu)建了橫向結(jié)構(gòu)寬光譜光電導(dǎo)探測(cè)器。通過優(yōu)化SnPc層在器件中位置,確立了最佳配置的器件結(jié)構(gòu),獲得了低至~0.01 nA的超低皮安級(jí)暗電流和高達(dá)~10~5的超高光敏性。而且,通過MAPbI_3/SnPc異質(zhì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了器件性能,并將光響應(yīng)延伸到980 nm波長(zhǎng),從而成功開發(fā)了超高光敏性的紫外-可見-近紅外寬光譜光電導(dǎo)探測(cè)器�？傊�,我們結(jié)合時(shí)代發(fā)展的需求,聚焦新一代光電子產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì),探索通過有機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦作為活性層構(gòu)建寬光譜響應(yīng)光探測(cè)器,成功實(shí)現(xiàn)了高性能的紫外-可見-近紅外超寬光譜光探測(cè),為以后新型光探測(cè)器的發(fā)展鋪墊了道路。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN15
【圖文】：

光探測(cè)器各種各樣的應(yīng)用

基于有機(jī)半導(dǎo)體和鈣鈦礦的高性能寬光譜光探測(cè)器研究2圖1-2 基于有機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的寬光譜光探測(cè)器：（a）有機(jī)光敏二極管[8]；（b）和（c）有機(jī)光敏場(chǎng)效應(yīng)管[9,10]；（d）和（e）鈣鈦礦光探測(cè)器[11,12]，以及（f）光探測(cè)器在不同光譜波段的典型應(yīng)用[13]廣泛應(yīng)用于數(shù)字影像領(lǐng)域常見的感光元件電荷耦合器件（CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體芯片（CMOS）等光電器件中。當(dāng)今，各種新型光探測(cè)器如雨后春筍，應(yīng)社會(huì)和時(shí)代的需要而產(chǎn)生，如研究熱度很高的有機(jī)光探測(cè)器，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化光探測(cè)器，量子點(diǎn)光探測(cè)器以及其他低維材料光探測(cè)器等等。在這些光探測(cè)器中，寬光譜響應(yīng)光探測(cè)器由于其優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用而已經(jīng)成為光探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。寬光譜光探測(cè)器有很寬的光譜探測(cè)范圍，一般對(duì)紫外光、可見光到近紅外光都有較好的光響應(yīng)，可以滿足不同光波段探測(cè)的需求，這就使一個(gè)單一的光探測(cè)器實(shí)現(xiàn)不同光探測(cè)功能成為現(xiàn)實(shí)

外光的探測(cè)，例如美國(guó) Teledyne Judson Technologies 公司的 J16 型鍺光電二極管的響應(yīng)光譜范圍為 600 nm~1800 nm，如圖 1-3（e）所示，圖 1-3（a）為鍺光電圖1-3 傳統(tǒng)商用無(wú)機(jī)寬光譜光探測(cè)器實(shí)物以及光敏性能圖：（a）和（e）J16系列鍺光敏二極管；（b）和（f）S1227-BQ系列硅光電二極管；（c）和（g）G12180-030A型銦鎵砷PIN光電二極管；（d）和（h）J13系列PbS光電導(dǎo)探測(cè)器（來(lái)源于Teledyne Judson Technologies和Hamamatsu）

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