基于有机宽带隙半导体的异质结型紫外探测材料与器件

摘要

紫外探测技术在军事和民用领域都有着广泛的应用.目前,商业化的半导体紫外探测器主要采用的是无机材料,但它们的加工工艺复杂,生产成本高昂,不利于大规模应用。相比之下,有机半导体则具有成本低廉、加工性能优异、柔性、可大面积制作等优点,且其带隙可通过分子的结构设计进行灵活调控,易于实现紫外光的选择性吸收,因而是一种很有潜力的紫外探测材料。另一方面,尽管有机半导体在过去二十年取得了快速发展,但其在紫外光作用下的结构与性能的关系还基本不清楚,是材料科学前沿尚需解决的问题,在学术上有着重要的意义。本论文在评述有机紫外探测材料与器件研究进展的基础上,针对该领域新材料体系匮乏、物理现象/机制研究不足的现状,开展了研究工作,获得了一些有意义的进展。
　　 将低温湿化学法制备的ZnO纳米粒子分散在聚(9,9-二已基芴)(PFH)溶液中,通过旋涂得到聚合物纳米复合薄膜,并以此为活性层制备了本体异质结(BHJ)型的杂化紫外探测器。研究了ZnO含量对薄膜形貌、光物理特性及相应器件性能的影响。当ZnO含量为33 wt％时,器件在1 mW/cm2365 nm紫外光照下的光伏效率为1.77％,-1 V偏压下的响应率为94 mA/W,光暗电流比为3个数量级.同样通过旋涂制备了基于PFH/ZnO双层复合薄膜的正、反向平面异质结(PHJ)器件,在同等光照下,光暗电流比也可达3个数量级以上。
　　 发现上述杂化器件在紫外光激发后出现了持续光导现象,为此,系统考察了气氛、偏压等对器件瞬态响应行为的影响,结果表明,ZnO缺陷的存在是导致该现象的物理起因.进一步的研究发现,通过空气陈化或采用正向PHJ的器件构型可以消除持续光导的不利影响,从而实现器件的快速响应。
　　 设计、合成了两种基于咔唑和三芳胺取代芴的宽带隙有机给体分子(CFC和FCF),并对其光物理特性、热性能、电化学性能及溶液成膜性能进行了研究。结果表明,两种分子的光学吸收均在400 nm以下,且具有优异的热稳定性和溶液成膜性能.通过湿化学法制备了ZnO纳米粒子,并用十二胺对其进行了表面修饰.将修饰后的纳米粒子分散在有机分子中,通过溶液旋涂得到复合薄膜,并以此为活性层制备了BHJ型的杂化紫外探测器。在1mW/cm2365 nm紫外光照下,器件的光暗电流比达3个数量级,且能实现快速响应。此外,CFC:ZnO和FCF:ZnO杂化器件的光谱响应分别覆盖了300～402nm和300～385 nm,因而可用于近紫外的选择性探测。
　　 以萘酰亚胺(NDI-BA)为受体,PFH为给体,通过溶液旋涂制备了基于PFH:NDI-BA复合薄膜的BHJ型的紫外探测器.研究了退火温度及给、受体配比对薄膜形貌及器件性能的影响.经优化,PFH和NDI-BA之间可以发生适度相分离,相应器件在1 mW/cm2365 nm紫外光照下的光暗电流比大于2个数量级,-4 V偏压下的响应率为224 mA/W.同时以PFH/NDI-BA双层薄膜为活性层制备了PHJ型的器件,在365 nm紫外光照下,其光伏效率达到3.3％。
　　 合成了以深紫外吸收为主的宽带隙有机受体NSN,将四种不同带隙的有机材料(PFH,m-MTDATA,PFP和PVK)作为给体,分别和NSN制备了PHJ型的有机紫外探测器.研究表明,通过选择不同给体,器件的响应截止边在370～425 nm可调。以半透明的铝电极为透光窗口,器件的响应范围扩展至深紫外区。进一步制备了基于有机染料的滤光薄膜,并借此滤除入射光中的近紫外光,PFP/NSN和PVK/NSN异质结器件均可实现深紫外选择性探测.
　　 上述研究成果拓展了有机半导体材料的研究领域,丰富了有机半导体材料的理论内容,为深入开展有机半导体紫外探测材料与器件的基础研究和开展可溶液加工的有机半导体紫外探测材料与器件的实用化研究提供了有力依据。