本文選題：聚合物光電二極管探測(cè)器 + 溶劑蒸汽退火　； 參考：《華南理工大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：基于光電二極管結(jié)構(gòu)的聚合物光電探測(cè)器是一種捕獲光信號(hào)并將之轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出的器件。與無(wú)機(jī)光電探測(cè)器相比,聚合物光電探測(cè)器擁有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),比如質(zhì)量輕、材料來(lái)源豐富、易大規(guī)模生產(chǎn)等,正受到越來(lái)越多的關(guān)注。從原理上看,聚合物光電探測(cè)器與有機(jī)/聚合物太陽(yáng)電池的關(guān)系非常密切,兩者有相同的器件結(jié)構(gòu),光電轉(zhuǎn)化過(guò)程也相同。比探測(cè)率是光電探測(cè)器的一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。目前,越來(lái)越多比探測(cè)率超過(guò)10~(12)Jones的有機(jī)光電探測(cè)器見(jiàn)諸報(bào)道,表明有機(jī)光電探測(cè)器的關(guān)鍵性能指標(biāo)可以和無(wú)機(jī)光電探測(cè)器媲美。要進(jìn)一步提高聚合物光電探測(cè)器的性能,除了需要性能更加優(yōu)異的新穎材料,還需要深入對(duì)其工作機(jī)理和調(diào)控要素進(jìn)行深入研究。近幾年的文獻(xiàn)報(bào)道表明,作為一種技術(shù)手段,有機(jī)溶劑蒸汽退火(SVA)已經(jīng)被證實(shí)可以有效調(diào)控有機(jī)/聚合物光活性層的微觀形貌,有助于光生激子的拆分和電荷輸運(yùn),從而抑制載流子復(fù)合,提升器件的短路電流。目前這種方法在有機(jī)/聚合物太陽(yáng)電池領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛,但將之應(yīng)用在聚合物光電探測(cè)器方面還鮮有報(bào)道。在第二章中,我們通過(guò)使用四氫呋喃溶劑對(duì)探測(cè)器活性層進(jìn)行溶劑蒸汽退火處理的辦法,調(diào)控PCDTBT:PC_(71)BM混合物薄膜的形貌,,成功將探測(cè)器的光響應(yīng)度從90 mA/W提升到了185 mA/W,增幅超過(guò)100%,且避免了探測(cè)器的暗電流密度變大,最終將探測(cè)器的比探測(cè)率從1.86×10~(12)Jones增加到了5.94×10~(12)Jones。在論文的第三章,我們制備了基于PBDTTT-C-T:PC_(71)BM和倒置結(jié)構(gòu)的聚合物光電探測(cè)器,并將之與正裝結(jié)構(gòu)的探測(cè)器相對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明,兩種器件結(jié)構(gòu)的外量子效率(EQE)相當(dāng),但倒置器件的暗電流密度較正裝器件的要小2到3個(gè)數(shù)量級(jí),因而倒置器件的比探測(cè)率大大優(yōu)于常規(guī)的正裝器件。在此基礎(chǔ)上,我們實(shí)現(xiàn)了峰值比探測(cè)率達(dá)到1.58×10~(13) Jones聚合物光電探測(cè)器。除此之外,器件的開(kāi)關(guān)比達(dá)到了10~5量級(jí),頻率響應(yīng)達(dá)到17 MHz,線性動(dòng)態(tài)區(qū)約為90 dB,具備優(yōu)秀的綜合性能。聯(lián)系半導(dǎo)體/金屬接觸的能級(jí)理論,我們對(duì)器件的機(jī)理進(jìn)行了分析,認(rèn)為倒置結(jié)構(gòu)中陽(yáng)極界面MoO_3/Al與聚合物半導(dǎo)體之間具有更大的肖特基勢(shì)壘是抑制暗電流密度的關(guān)鍵原因。除此之外,研究還發(fā)現(xiàn),在載流子遷移率足夠高的前提下,厚度達(dá)數(shù)百納米的光電探測(cè)器可以同時(shí)滿足具有高的響應(yīng)度和更低的暗電流密度,從而獲得更高的比探測(cè)率,本章也詳細(xì)分析了其物理機(jī)制。對(duì)于某些材料體系,由于陰極界面與活性層的浸潤(rùn)性問(wèn)題,會(huì)限制倒置器件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。在這種條件下,為了獲得高性能的聚合物光電探測(cè)器,論文的第四章研究了以聚乙烯基咔唑(PVK)作為陽(yáng)極界面層、基于PDPP3T:PC_(71)BM混合物薄膜為光活性層的聚合物光電探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與基于以PEDOT:PSS為陽(yáng)極界面層的器件相比,基于聚乙烯基咔唑(PVK)作為陽(yáng)極界面層的光電探測(cè)器具有更小的暗電流密度,且具有相當(dāng)?shù)墓忭憫?yīng)度,從而利于獲得更高的比探測(cè)率。對(duì)于探測(cè)器的其他性能參數(shù),比如頻率響應(yīng)、時(shí)間響應(yīng)、線性動(dòng)態(tài)區(qū)域等參數(shù),PVK陽(yáng)極界面取代PEDOT:PSS后它們沒(méi)有明顯的差異,表明這一方法是簡(jiǎn)便可行的獲得高性能光電探測(cè)器的重要手段。
[Abstract]:The polymer Photodetector Based on the photodiode structure is a device to capture optical signals and convert them into electrical signals. Compared with the inorganic photodetectors, polymer photodetectors have many unique advantages, such as light quality, rich material sources and large scale production, which are being paid more and more attention. As a matter of fact, the relationship between polymer photodetectors and organic / polymer solar cells is very close. Both have the same device structure and the photoelectric conversion process is the same. The ratio detection rate is a key performance indicator of the photodetector. At present, more and more than 10~ (12) Jones organic photodetectors are reported. The key performance index of the photoelectric detector can be compared with the inorganic photodetector. In order to further improve the performance of the polymer photodetectors, in addition to the new materials which need more excellent performance, the working mechanism and regulation factors of the photodetectors are further studied. In recent years, the literature reports have shown that as a technical means, Organic solvent vapor annealing (SVA) has been proved to be effective in regulating the micromorphology of the organic / polymer photoactive layer, which is helpful to the separation and charge transport of the exciton, thus inhibiting the carrier recombination and improving the short-circuit current of the device. In the second chapter, in the second chapter, we regulate the morphology of the PCDTBT:PC_ (71) BM mixture film by using the tetrahydrofuran solvent for the solvent vapor annealing treatment of the active layer of the detector, and successfully raised the photoacoustic response of the detector from 90 mA/W to 185 mA/W, increasing by more than 100%, In addition, the dark current density of the detector is avoided, and the ratio detection rate of the detector is increased from 1.86 x 10~ (12) Jones to 5.94 * 10~ (12) Jones. in the third chapter of the paper. We have prepared a polymer Photodetector Based on PBDTTT-C-T:PC_ (71) BM and inverted structure, and compared it with the detector of the positive structure. The experiment shows that two The external quantum efficiency (EQE) of the device structure is equivalent, but the dark current density of the inverted device is 2 to 3 orders of magnitude smaller than that of the positive device, so the ratio detection rate of the inverted device is much better than that of the conventional positive device. On this basis, we have achieved a peak ratio detection rate of 1.58 * 10~ (13) Jones polymer photodetectors. In addition, The switch ratio of the device reaches 10~5, the frequency response reaches 17 MHz, the linear dynamic zone is about 90 dB, and has excellent comprehensive performance. In connection with the energy level theory of semiconductor / metal contact, the mechanism of the device is analyzed. It is considered that the anode interface MoO_3/Al in the inverted structure has a larger Schottky potential between the polymer semiconductor and the polymer semiconductor. The barrier is the key reason for the suppression of the dark current density. In addition, the study also found that, on the premise of high carrier mobility, the thickness of the photodetectors with a thickness of hundreds of nanometers can meet the high response degree and lower dark current density at the same time, thus obtaining a higher ratio detection rate. This chapter also analyzes its physical mechanism in detail. In some material systems, the application of the inverted device structure will be limited due to the wettability of the cathode and active layers. In this condition, in order to obtain high performance polymer photodetectors, the fourth chapter of the paper studies the use of polyvinyl carbazole (PVK) as an anode interface layer, based on the PDPP3T:PC_ (71) BM mixture film as light. The experimental results show that the photodetectors based on the polyethylene carbazole (PVK) as the anode interface layer have smaller dark current density and have a considerable light response degree compared with the devices based on the anode interface layer based on PEDOT:PSS. For the detector, the detector has a higher detection rate. The performance parameters such as frequency response, time response, linear dynamic region and other parameters, and there is no obvious difference between the PVK anode interface instead of PEDOT:PSS, indicating that this method is an important means to obtain high performance photodetectors.

【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN15

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本文編號(hào)：1848345