結(jié)型有機光電探測器的研究進展
發(fā)布時間：2022-01-17 19:28
基于光生伏特原理的結(jié)型有機光電探測器（OPDs）被廣泛研究。首先介紹了結(jié)型OPDs的三種主要結(jié)構(gòu)及其原理,包含了平面異質(zhì)結(jié)、體異質(zhì)結(jié)和平面-體復合異質(zhì)結(jié),并介紹了結(jié)型OPDs的基本性能參數(shù)�；跇�(gòu)成異質(zhì)結(jié)的半導體材料進行分類,分別綜述了基于雙有機小分子、聚合物-有機小分子、雙聚合物等類型的異質(zhì)結(jié)型OPDs在近年來的研究進展。此外,介紹了在對具有平直結(jié)構(gòu)的結(jié)型OPDs的性能改善方面所采取的一些典型方法,并對結(jié)型OPDs的未來發(fā)展方向進行了展望。
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020,57(13)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：25 頁
【部分圖文】：
三種典型異質(zhì)結(jié)OPDs器件的結(jié)構(gòu)示意圖與反向偏壓下電極注入電荷的能帶示意圖。（a)PHJ;(b)BHJ;(c)P-BMHJ;(d）含有空穴傳輸層的體異質(zhì)結(jié)器件在反偏電壓下的能帶示意圖，該空穴傳輸層可阻擋電子從器件的陽極注入
2006年，Morimune等[24]制備了ITO/CuPc/BPPC/Au垂直結(jié)構(gòu)器件，該器件在-3 V偏壓、650nm光照下的響應時間為83ns，如圖3(d）所示。后來該團隊又利用這兩種材料制備了P-BMHJ OPD[25]，將響應時間縮短至60ns。鑒于近紅外OPDs在工商業(yè)、軍事和科研領(lǐng)域，特別是在夜視、層析成像等方面的巨大應用潛力，Wang等[26]于2011年利用高電子遷移率的F16CuPc作為電子受體制備P-BMHJ OPD，器件在808nm近紅外光下的響應時間僅為80ns,EQE在-9V偏壓下達到9.22%，探測率為4.6×1010 Jones(1 Jones=1cm·Hz1/2·W-1）。綜合可見，以CuPc為給體材料的雙小分子異質(zhì)結(jié)OPDs具有優(yōu)于百納秒級別的超快響應速度，探測器響應波段一般在可見光到近紅外波段內(nèi)。4.1.2 m-MTDATA給體
結(jié)型OPDs通常在反偏電壓下工作，雖然可以利用外加電場來加速電荷收集以獲得快速的響應和更高的效率，但這樣會從電極處注入漏電流，增大器件的暗電流，從而對器件性能產(chǎn)生不利影響[16]。漏電流在很大程度上取決于金屬-半導體的界面能級，為了防止反偏電壓下金屬電極注入電荷，必須盡可能地提高金屬功函數(shù)和有機半導體中載流子傳輸能級之間的勢壘。BHJs中給體和受體分子分布在器件的整個活性層內(nèi)，二者都非常接近電極，因此電極電荷注入的有效勢壘很小，漏電流高，如圖2(b）所示。因此人們常用電子阻擋層（EBL）和空穴阻擋層（HBL）來阻止反偏電壓下電荷的注入，也可以阻止產(chǎn)生的激子擴散到電極上，從而有效地提高器件的性能。阻擋層的HOMO和LUMO能級會在電極界面形成特定類型載流子注入勢壘，但不妨礙電極提取相反類型的光生載流子[17]，如圖2(d）所示。在平面異質(zhì)結(jié)中的情況恰恰相反，每個金屬電極只與一種有機材料接觸，漏電流低，如圖2(a）所示。然而PHJs中激子的擴散長度短，限制了激子的高效解離。為了保持高效率，同時使漏電流保持在較低的水平，可通過在器件內(nèi)保持一個體異質(zhì)結(jié)分布而在靠近陽極（陰極）的地方誘導給體（受體）富集，形成P-BMHJs來實現(xiàn)，如圖2(c）所示。研究表明誘導D和A部分的垂直相分離[18]或沉積一個三層結(jié)構(gòu)[19]，器件泄漏電流均可有效降低（Ileak<1nA/cm2），并且保持較高的效率。圖2 三種典型異質(zhì)結(jié)OPDs器件的結(jié)構(gòu)示意圖與反向偏壓下電極注入電荷的能帶示意圖。（a)PHJ;(b)BHJ;(c)P-BMHJ;(d）含有空穴傳輸層的體異質(zhì)結(jié)器件在反偏電壓下的能帶示意圖，該空穴傳輸層可阻擋電子從器件的陽極注入
【參考文獻】：
期刊論文
[1]無機紫外光電探測器材料研究進展[J]. 尚慧明,戴明金,高峰,楊慧慧,陳洪宇,胡平安,賈德昌,周玉. 中國材料進展. 2019(09)
[2]具有變革性特征的紅外光電探測器[J]. 胡偉達,李慶,陳效雙,陸衛(wèi). 物理學報. 2019(12)
[3]InP基近紅外單光子雪崩光電探測器陣列[J]. 劉凱寶,楊曉紅,何婷婷,王暉. 激光與光電子學進展. 2019(22)
[4]新型傳感材料與器件研究進展[J]. 屠海令,趙鴻濱,魏峰,張青竹,樊彥艷,杜軍. 稀有金屬. 2019(01)
[5]二維層狀鈣鈦礦材料及其應用研究進展[J]. 韓娜,冀婷,崔艷霞,李國輝,張恒康,郝玉英. 激光與光電子學進展. 2019(07)
[6]鈣鈦礦光電探測器的研究進展[J]. 劉艷珍,李國輝,崔艷霞,冀婷,郝玉英. 激光與光電子學進展. 2019(01)
[7]有機光電倍增探測器研究進展[J]. 高秀云,張葉,崔艷霞,劉艷珍,李國輝,石林林,郝玉英. 激光與光電子學進展. 2018(07)
[8]有機半導體器件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 陳海明,靳寶善. 微納電子技術(shù). 2010(08)
[9]有機半導體材料與器件研究領(lǐng)域的若干科學問題[J]. 王立鐸. 大學化學. 2007(01)
[10]酞菁銅的性能和應用研究進展[J]. 何智兵,黃勇剛,張溪文,趙高凌,杜丕一,韓高榮. 材料導報. 2000(10)
本文編號：3595305
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020,57(13)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：25 頁
【部分圖文】：
三種典型異質(zhì)結(jié)OPDs器件的結(jié)構(gòu)示意圖與反向偏壓下電極注入電荷的能帶示意圖。（a)PHJ;(b)BHJ;(c)P-BMHJ;(d）含有空穴傳輸層的體異質(zhì)結(jié)器件在反偏電壓下的能帶示意圖，該空穴傳輸層可阻擋電子從器件的陽極注入
2006年，Morimune等[24]制備了ITO/CuPc/BPPC/Au垂直結(jié)構(gòu)器件，該器件在-3 V偏壓、650nm光照下的響應時間為83ns，如圖3(d）所示。后來該團隊又利用這兩種材料制備了P-BMHJ OPD[25]，將響應時間縮短至60ns。鑒于近紅外OPDs在工商業(yè)、軍事和科研領(lǐng)域，特別是在夜視、層析成像等方面的巨大應用潛力，Wang等[26]于2011年利用高電子遷移率的F16CuPc作為電子受體制備P-BMHJ OPD，器件在808nm近紅外光下的響應時間僅為80ns,EQE在-9V偏壓下達到9.22%，探測率為4.6×1010 Jones(1 Jones=1cm·Hz1/2·W-1）。綜合可見，以CuPc為給體材料的雙小分子異質(zhì)結(jié)OPDs具有優(yōu)于百納秒級別的超快響應速度，探測器響應波段一般在可見光到近紅外波段內(nèi)。4.1.2 m-MTDATA給體
結(jié)型OPDs通常在反偏電壓下工作，雖然可以利用外加電場來加速電荷收集以獲得快速的響應和更高的效率，但這樣會從電極處注入漏電流，增大器件的暗電流，從而對器件性能產(chǎn)生不利影響[16]。漏電流在很大程度上取決于金屬-半導體的界面能級，為了防止反偏電壓下金屬電極注入電荷，必須盡可能地提高金屬功函數(shù)和有機半導體中載流子傳輸能級之間的勢壘。BHJs中給體和受體分子分布在器件的整個活性層內(nèi)，二者都非常接近電極，因此電極電荷注入的有效勢壘很小，漏電流高，如圖2(b）所示。因此人們常用電子阻擋層（EBL）和空穴阻擋層（HBL）來阻止反偏電壓下電荷的注入，也可以阻止產(chǎn)生的激子擴散到電極上，從而有效地提高器件的性能。阻擋層的HOMO和LUMO能級會在電極界面形成特定類型載流子注入勢壘，但不妨礙電極提取相反類型的光生載流子[17]，如圖2(d）所示。在平面異質(zhì)結(jié)中的情況恰恰相反，每個金屬電極只與一種有機材料接觸，漏電流低，如圖2(a）所示。然而PHJs中激子的擴散長度短，限制了激子的高效解離。為了保持高效率，同時使漏電流保持在較低的水平，可通過在器件內(nèi)保持一個體異質(zhì)結(jié)分布而在靠近陽極（陰極）的地方誘導給體（受體）富集，形成P-BMHJs來實現(xiàn)，如圖2(c）所示。研究表明誘導D和A部分的垂直相分離[18]或沉積一個三層結(jié)構(gòu)[19]，器件泄漏電流均可有效降低（Ileak<1nA/cm2），并且保持較高的效率。圖2 三種典型異質(zhì)結(jié)OPDs器件的結(jié)構(gòu)示意圖與反向偏壓下電極注入電荷的能帶示意圖。（a)PHJ;(b)BHJ;(c)P-BMHJ;(d）含有空穴傳輸層的體異質(zhì)結(jié)器件在反偏電壓下的能帶示意圖，該空穴傳輸層可阻擋電子從器件的陽極注入
【參考文獻】：
期刊論文
[1]無機紫外光電探測器材料研究進展[J]. 尚慧明,戴明金,高峰,楊慧慧,陳洪宇,胡平安,賈德昌,周玉. 中國材料進展. 2019(09)
[2]具有變革性特征的紅外光電探測器[J]. 胡偉達,李慶,陳效雙,陸衛(wèi). 物理學報. 2019(12)
[3]InP基近紅外單光子雪崩光電探測器陣列[J]. 劉凱寶,楊曉紅,何婷婷,王暉. 激光與光電子學進展. 2019(22)
[4]新型傳感材料與器件研究進展[J]. 屠海令,趙鴻濱,魏峰,張青竹,樊彥艷,杜軍. 稀有金屬. 2019(01)
[5]二維層狀鈣鈦礦材料及其應用研究進展[J]. 韓娜,冀婷,崔艷霞,李國輝,張恒康,郝玉英. 激光與光電子學進展. 2019(07)
[6]鈣鈦礦光電探測器的研究進展[J]. 劉艷珍,李國輝,崔艷霞,冀婷,郝玉英. 激光與光電子學進展. 2019(01)
[7]有機光電倍增探測器研究進展[J]. 高秀云,張葉,崔艷霞,劉艷珍,李國輝,石林林,郝玉英. 激光與光電子學進展. 2018(07)
[8]有機半導體器件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 陳海明,靳寶善. 微納電子技術(shù). 2010(08)
[9]有機半導體材料與器件研究領(lǐng)域的若干科學問題[J]. 王立鐸. 大學化學. 2007(01)
[10]酞菁銅的性能和應用研究進展[J]. 何智兵,黃勇剛,張溪文,趙高凌,杜丕一,韓高榮. 材料導報. 2000(10)
本文編號：3595305
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