基于有机p-n结的紫外探测器件及使用该器件的紫外图像探测器

摘要

本发明提供一种基于有机p-n结的紫外探测器件及使用该器件的紫外图像探测器，所述基于有机p-n结的紫外探测器件（40）包括：相对设置的有源玻璃基板（42）与封装玻璃基板（44）、设于所述有源玻璃基板（42）与封装玻璃基板（44）之间的数个有机p-n结（43）、及设于所述有源玻璃基板（42）与封装玻璃基板（44）的四周边缘区域的封装材料（48），所述数个有机p-n结（43）在所述有源玻璃基板（42）上呈矩阵式分布。本发明基于有机p-n结的紫外探测器件及使用该器件的紫外图像探测器，制作工艺简单，生产成本低，原料便宜、种类多、来源广泛且可以通过化学合成制备，并且该紫外探测器件结构简单、体积小、重量轻，可制备在柔性衬底上，可以增大拍摄广角。

说明书

技术领域

本发明涉及紫外探测技术领域，尤其涉及一种基于有机p-n结的紫外探测 器件及使用该器件的紫外图像探测器。

背景技术

紫外（Ultra Violet，UV）探测技术已经广泛应用于火焰检测与燃烧控制、 太阳辐射测量、水处理与表面消毒的紫外光源控制、紫外线净化、紫外线消 毒、食品消毒控制、紫外线激光器控制、分光镜、电弧探测等方面。

对于火焰燃烧中产生的0.185～0.260mm波长的紫外线，可以采用一种固态 物质作为紫外探测的敏感元件，如碳化硅（SiC）或者硝酸铝（Al(NO₃)₃）。 根据防爆类型，该敏感元件可分为：隔爆型及本安型。这些敏感元件的使用 场合有：①石油和天然气的勘探、生产、储存与卸料；②汽车、飞机的制造、 油漆喷雾房；③炸药、军需品；④医药业；⑤废品焚烧；⑥粉房等高风险工 业染料的生产、储存、运输等。

紫外探测技术在医学、生物学方面也有着广泛的应用，特别是近几年在 皮肤病诊断方面有着独特的应用效果。利用紫外探测技术在检测诊断皮肤病 时可直接看到病变细节，也可用来检测癌细胞、微生物、血色素、红血球、 白血球、细胞核等，这种检测不但迅速、准确，而且直观、清楚。

在军用方面，如紫外制导等，尽管红外制导是目前导弹的主流制导方式， 但随着红外对抗技术的日趋成熟，红外制导导弹的攻击效果受到了严重的威 胁。为了反红外对抗技术，制导技术正在向双色制导方面发展，这其中也包 括红外-紫外双色制导方式。在受到红外干扰时，仍可使用紫外探测器探测目 标的紫外辐射，并把导弹引至目标进行攻击。

在通信方面，紫外通信是一种具有极大发展潜力的新型通讯方式。它是 利用紫外辐射进行信息传递，与普通的无线电通讯相比，具有低窃听率、高 抗干扰性的优点，能实现近距离保密通讯；与先进的激光通讯相比，具有可 进行全方位多路通讯和定向通讯等优点。

另外，人体的指纹印、体液（血液、精液、唾液）以及违禁的火药、麻 醉品等物质对紫外线具有特殊的吸收、反射、散射及荧光特性，警用紫外成 像技术正是利用了这些物质对紫外光所呈现出的特性，用紫外成像仪将所摄 取的紫外图像放大并转化为可见光图像使其隐藏的信息得以暴露，以供刑侦 人员方便地进行实时的观察，在找到相关重要被检物后，还可利用其进行照 相取证。数字化照相取证样板，又可以通过计算机联网对罪犯进行及时地对 照查寻，大大地缩短了办案时间，提高了工作效率。与传统的现场侦查痕迹 提取工作相比，用警用紫外成像系统来进行同样工作的话，其最大的优点就 在于它不必进行任何处理即可进行快速观察、搜索、定位、取证及照相，这 不仅大大地提高了工作效率，同时也由于其搜索的快速、直观，它还能及时 地发现传统方法所不能发现的一些痕迹和物证；另外，由于这种方法不接触 物证表面，从而大大提高了物证的提取率和利用率，所有这些优点使得它深 受刑侦界的好评。

紫外线可以分为0.2～0.3μm波段的中紫外与0.3～0.4μm的近紫外。太阳光 中的中紫外，几乎完全被大气中的臭氧层吸收掉了，所以这段波长的紫外光 区域常被称为“日盲区”。紫外探测技术使用的就是中紫外这一个波段。

紫外光谱成像检测技术是欧美国家为军事目的发展起来的新型检测成像 技术。它的特点是用于观察和检测“日盲区”（240～280nm）紫外光信号，并 将紫外图像信号转换成可见光图像信号，进行观察和测量。利用该技术可以 观察到许多用传统光学仪器观察不到的物理、化学、生物现象；又因为其工 作在“日盲区”波段，所以它的工作不受日光的干扰，即采用该技术的仪器 可以在日光下工作，图像清晰、工作可靠、使用方便。欧美发达国家和俄罗 斯均已有这类仪器投入使用。这类仪器可用于电力系统检测、太空科学和环 境保护研究等领域。

无机紫外成像检测系统主要包括：紫外成像物镜、紫外光滤光镜、紫外 像增强系统、电荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）、图像显示系统 等。其工作原理如图1所示，紫外信号源100被背景光（包括可见光、紫外光 和红外光等）照射，从紫外信号源100传输到紫外成像镜头200的有紫外信号 源100自身辐射的紫外光，也有紫外信号源100反射的背景光；成像光束经过 紫外成像镜头200后，有一部分背景光被滤除，有一部分背景光仍然存在；其 后光束再通过只允许“日盲区”波段的光透过的紫外光滤光片300，照射到紫 外像增强器400的光电阴极上，经过紫外像增强器400后，紫外信号被增强放 大并被转化为可见光信号输出，然后，成像光束经CCD相机500，最后，经信 号处理后输出到显示设备600以观察记录。

无机紫外探测器的材料主要有：第一代元素半导体材料、第二代化合物 半导体材料等以及第三代宽带隙半导体材料。第一代元素半导体材料主要包 括硅（Si），第二代化合物半导体材料主要包括砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP） 等，第三代宽带隙半导体材料主要包括碳化硅（SiC）、碳化镓（GaN）、氧化 锌（ZnO）和金刚石等。第一代元素半导体材料及第二代化合物半导体材料 由于具有禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点而使得 紫外探测器件的特性及使用存在很大局限性，满足不了实用的要求。第三代 宽带隙半导体材料具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导 热性能好等特点，适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器 件；而利用其特有的宽禁带，还可以制作蓝、绿光和紫外的发光器件和光探 测器件。

尽管如此，无机紫外探测器仍存在制备成本高、工艺复杂、材料昂贵， 不能柔性塑料衬底上制备薄膜等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有机p-n结的紫外探测器件，其结构简 单、体积小、重量轻、制作工艺简单、生产成本低，采用有机材料制作而成， 原料便宜、种类多、来源广泛且可以通过化学合成制备，并且该紫外探测器 件可制备在柔性衬底上，可以增大拍摄广角。

本发明的又一目的在于提供一种紫外图像探测器，其结构简单、体积小、 重量轻，其采用基于有机p-n结的紫外探测器件，制作工艺简单，生产成本低， 且采用的原料便宜、种类多、来源广泛且可以通过化学合成制备，该紫外图 像探测器拍摄广角大。

为实现上述目的，本发明提供一种基于有机p-n结的紫外探测器件，包括： 相对平行设置的有源玻璃基板与封装玻璃基板、设于所述有源玻璃基板与封装 玻璃基板之间的数个有机p-n结、及设于所述有源玻璃基板与封装玻璃基板的 四周边缘区域的封装材料，所述数个有机p-n结在所述有源玻璃基板上呈矩阵 式分布。

每一所述有机p-n结包括：设于有源玻璃基板上的阳极、设于所述阳极上 的有机材料层、及设于有机材料层上的阴极，所述阴极与所述封装玻璃基板相 抵靠。

所述有机材料层包括有机p型材料和有机n型材料，所述有机p型材料为紫 外发光材料；所述有机n型材料为富勒烯衍生物，所述富勒烯衍生物的分子结 构式为：

所述富勒烯衍生物的最高已占轨道能级为6.0eV，最低未占轨道能级为 4.2eV，载流子迁移率为10^-3cm²/V·s。

所述紫外发光材料为咔唑类紫外发光材料，所述咔唑类紫外发光材料的分 子结构式为：

所述咔唑类紫外发光材料的带隙为3.25eV，发射光谱峰值为394nm。

所述紫外发光材料为五联苯紫外发光材料，所述五联苯紫外发光材料的分 子结构式为：

所述五联苯紫外发光材料的带隙为3.48eV，发射光谱峰值为310nm。

本发明还提供一种使用基于有机p-n结的紫外探测器件的紫外图像探测 器，包括：壳体、安装于所述壳体上的紫外成像镜头、安装于所述壳体上且相 对所述紫外成像镜头设置的紫外透过滤光片、安装于所述壳体内并相对所述紫 外透过滤光片设置的基于有机p-n结的紫外探测器件、安装于所述壳体内并与 所述基于有机p-n结的紫外探测器件电性连接的电路结构、及安装于所述壳体 上并与所述电路结构电性连接的显示器件，所述基于有机p-n结的紫外探测器 件包括：相对平行设置的有源玻璃基板与封装玻璃基板、设于所述有源玻璃基 板与封装玻璃基板之间的数个有机p-n结、及设于所述有源玻璃基板与封装玻 璃基板的四周边缘区域的封装材料，所述数个有机p-n结在所述有源玻璃基板 上呈矩阵式分布。

所述基于有机p-n结的紫外探测器件的有源玻璃基板朝向紫外透过滤光片 设置，所述壳体设有第一开口及第二开口，所述紫外成像镜头与紫外透过滤光 片均安装于所述第一开口上且所述紫外透过滤光片安装于所述紫外成像镜头 后方，所述显示器件安装于所述第二开口上；

所述电路结构包括：与所述基于有机p-n结的紫外探测器件电性连接的光 电流收集并放大模块、及与光电流收集并放大模块电性连接的显示驱动模块， 所述显示驱动模块还与所述显示器件电性连接。

每一所述有机p-n结包括：设于有源玻璃基板上的阳极、设于所述阳极上 的有机材料层、及设于有机材料层上的阴极，所述阴极与所述封装玻璃基板相 抵靠；所述有机材料层包括有机p型材料和有机n型材料，所述有机p型材料为 紫外发光材料；所述有机n型材料为富勒烯衍生物，所述富勒烯衍生物的分子 结构式为：

所述富勒烯衍生物的最高已占轨道能级为6.0eV，最低未占轨道能级为 4.2eV，载流子迁移率为10^-3cm²/V·s。

所述紫外发光材料为咔唑类紫外发光材料，所述咔唑类紫外发光材料的分 子结构式为：

所述咔唑类紫外发光材料的带隙为3.25eV，发射光谱峰值为394nm。

所述紫外发光材料为五联苯紫外发光材料，所述五联苯紫外发光材料的分 子结构式为：

所述五联苯紫外发光材料的带隙为3.48eV，发射光谱峰值为310nm。

本发明的有益效果：本发明的基于有机p-n结的紫外探测器件及使用该器 件的紫外图像探测器，通过有机p-n结吸收紫外线的辐射光子，形成激子（电 子-空穴对），在有机p材料与有机n材料的界面处激子分离，电子流向阴极， 空穴流向阳极，从而形成光电流，电路结构收集该光电流，并经过放大后， 最终在显示器件上呈现出单色的人眼可见的图像，该图像对比度高，分辨细 节能力强，该紫外探测器件结构简单、体积小、重量轻、制作工艺简单，生 产成本低，所需材料便宜、种类多、来源广泛且可以通过化学合成制备，并 且该紫外探测器件可制备在柔性衬底上，可以增大拍摄广角。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明 的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限 制。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技 术方案及其它有益效果显而易见。

附图中，

图1为现有的无机紫外成像检测系统的工作原理示意图；

图2为本发明基于有机p-n结的紫外探测器件的结构示意图；

图3为本发明基于有机p-n结的紫外探测器件中的数个有机p-n结设置示 意图；

图4为本发明基于有机p-n结的紫外探测器件的光电流产生原理示意图；

图5为本发明紫外图像探测器的立体图；

图6为本发明紫外图像探测器中电路结构连接示意图；

图7为本发明紫外图像探测器的工作原理图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的 优选实施例及其附图进行详细描述。

请参阅图2至3，本发明提供一种基于有机p-n结的紫外探测器件40，利用 新一代太阳能电池技术-有机太阳能电池的技术，制备出具有像素点矩阵的器 件结构。所述基于有机p-n结的紫外探测器件40具体包括：相对平行设置的有 源玻璃基板42与封装玻璃基板44、设于所述有源玻璃基板42与封装玻璃基板44 之间的数个有机p-n结43、及设于所述有源玻璃基板42与封装玻璃基板44的四 周边缘区域的封装材料48，所述数个有机p-n结43呈矩阵式分布，有利于提高 应用该基于有机p-n结紫外探测器件40的紫外图像探测器的灵敏度；利用封装 材料48将所述有源玻璃基板42与封装玻璃基板44密封粘接在一起，可以阻止 水、氧气侵入该封装后的紫外探测器件40的内部，保持紫外探测器件40的性能， 并且延长使用寿命。

每一所述有机p-n结43包括：设于有源玻璃基板42上的阳极45、设于所述 阳极45上的有机材料层46、及设于有机材料层46上的阴极47，所述阴极47与所 述封装玻璃基板44相抵靠。

所述有机材料层46包括有机p型材料和有机n型材料，请参阅图4，所述有 机p型材料与有机n型材料之间形成一界面87，该有机材料层46吸收外界紫外线 70后会形成激子82（电子-空穴对），所述激子82在外界电压的作用下于该界面 87处分离成空穴84与电子86，电子86流向阴极47，空穴84流向阳极45，从而形 成光电流。

所述有机p型材料为紫外发光材料，所述紫外发光材料优先选用咔唑类紫 外发光材料，其分子结构式为：其带隙为3.25eV， 发射光谱峰值为394nm；所述紫外发光材料还可以选用五联苯紫外发光材料， 其分子结构式为：其带隙为 3.48eV，发射光谱峰值为310nm。

所述有机n型材料优先选用富勒烯衍生物（PCBM），其分子结构式为：

它具有良好的溶解性，同时具有较好的电子 传输能力及较高的电子亲和势，其最高已占轨道（HOMO）能级为6.0eV，最 低未占轨道（LUMO）能级为4.2eV，载流子迁移率为10^-3cm²/V·s，是优良的 太阳能电池电子传输材料。

请参阅图2至图6，本发明还提供一种使用基于有机p-n结的紫外探测器件 的紫外图像探测器，其包括：壳体10、安装于所述壳体10上的紫外成像镜头20、 安装于所述壳体10上且相对所述紫外成像镜头20设置的紫外透过滤光片30、安 装于所述壳体10内并相对所述紫外透过滤光片30设置的基于有机p-n结的紫外 探测器件40、安装于所述壳体10内并与所述基于有机p-n结的紫外探测器件40 电性连接的电路结构50、及安装于所述壳体10上并与所述电路结构50电性连接 的显示器件60，所述基于有机p-n结的紫外探测器件40包括：相对设置的有源 玻璃基板42与封装玻璃基板44、设于所述有源玻璃基板42与封装玻璃基板44 之间的数个有机p-n结43、及设于所述有源玻璃基板42与封装玻璃基板44的四 周边缘区域的封装材料48，所述数个有机p-n结43呈矩阵式分布，有利于提高 紫外图像探测器性能；利用封装材料48将所述有源玻璃基板42与封装玻璃基板 44密封粘接在一起，可以阻止水、氧气侵入该封装后的紫外探测器件40内部， 保持紫外探测器件40性能，并且延长基于有机p-n结的紫外探测器件40的寿命。

所述基于有机p-n结的紫外探测器件40的有源玻璃基板42朝向紫外透过滤 光片30设置，外界的紫外线70经过所述紫外成像镜头20以及紫外透过滤光片30 过滤后，从有源玻璃基板42侧入射到基于有机p-n结的紫外探测器件40内。所 述壳体10对应设有第一开口12及第二开口14，所述紫外成像镜头20与紫外透过 滤光片30均安装于所述第一开口12上且所述紫外透过滤光片30安装于所述紫 外成像镜头20后方，外界的紫外线70可以直接照射至紫外成像镜头20的表面； 所述显示器件60可以选择安装于所述第二开口14上，用于显示该紫外图像探测 器探测到的紫外线70的强度，即显示单色的人眼可见的图像。另外，该显示器 件60也可以与壳体10分离，另外单独设置，进而可以安装在方便用户观察到的 地方，提高可操作性。

所述电路结构50包括：与所述基于有机p-n结的紫外探测器件40电性连接 的光电流收集并放大模块52、及与光电流收集并放大模块52电性连接的显示驱 动模块54，所述基于有机p-n结的紫外探测器件40在紫外线70照射下会产生激 子82（电子-空穴对），该些激子82最后分离形成光电流，所述光电流收集并放 大模块52收集该光电流的大小，即采集照射至基于有机p-n结的紫外探测器件 40上的紫外线70强弱，并对该光电流进行放大，传输给显示驱动模块54。所述 显示驱动模块54还与所述显示器件60电性连接，进而根据光电流信号驱动显示 器件60显示单色图像，该单色图像的明暗强度对应于照射至基于有机p-n结的 紫外探测器件40上相应区域的紫外线70的强弱。

每一所述有机p-n结43包括：设于有源玻璃基板42上的阳极45、设于所述 阳极45上的有机材料层46、及设于有机材料层46上的阴极47，所述阴极47与所 述封装玻璃基板44相抵靠。所述有机材料层46包括有机p型材料和有机n型材 料，如图4所示，所述有机p型材料与有机n型材料之间形成一界面87，该有机 材料层46吸收外界紫外线70后会形成激子82（电子-空穴对），所述激子82在外 界电压的作用下于该界面87处分离成空穴84与电子86，电子86流向阴极47，空 穴84流向阳极45，从而形成光电流。光电流经电路流向光电流收集并放大模块 52，光电流被放大。每一所述有机p-n结43上的光电流经收集并放大后，最终 输出到显示器件60上，形成单色图像。每一所述有机p-n结43形成的电流大小， 对应于显示器件60上对应区域的明暗强度。所述有机p型材料为紫外发光材料， 所述紫外发光材料优先选用咔唑类紫外发光材料，其分子结构式为： 其带隙为3.25eV，发射光谱峰值为394nm；所述 紫外发光材料还可以选用五联苯紫外发光材料，其分子结构式为： 其带隙为3.48eV，发射光谱峰值 为310nm。

所述有机n型材料优先选用富勒烯衍生物（PCBM），其分子结构式为： 它具有良好的溶解性，同时具有较好的电子传 输能力及较高的电子亲和势，其最高已占轨道（HOMO）能级为6.0eV，最低 未占轨道（LUMO）能级为4.2eV，载流子迁移率为10^-3cm²/V·s，是优良的太 阳能电池电子传输材料。

请参阅图7，本发明具体的实现过程如下：紫外成像镜头20首先滤除一部 分外界紫外光线70，然后利用紫外透过滤光片30将可见光（波长范围 390nm～760nm）及红外波段的辐射滤掉，仅剩下“日盲区”波段（240nm～280nm） 的紫外线，基于有机p-n结的紫外探测器件40吸收“日盲区”波段紫外线的辐 射光子，形成激子82（电子-空穴对），在有机p材料与有机n材料的界面处激子 82分离，电子86流向阴极，空穴84流向阳极，电路结构50收集该光电流，并经 过放大后，最终在显示器件60上呈现出单色的人眼可见的图像。该图像对比度 高，分辨细节能力强；该紫外探测器件40结构简单、体积小、重量轻、制作工 艺简单，生产成本低，所需材料便宜、种类多、来源广泛且可以通过化学合成 制备，并且该紫外探测器件40可制备在柔性衬底上，可以增大拍摄广角。

综上所述，本发明的基于有机p-n结的紫外探测器件及使用该器件的紫外 图像探测器，通过有机p-n结吸收紫外线的辐射光子，形成激子（电子-空穴对）， 在有机p材料与有机n材料的界面处激子分离，电子流向阴极，空穴流向阳极， 从而形成光电流，电路结构收集该光电流，并经过放大后，最终在显示器件 上呈现出单色的人眼可见的图像，该图像对比度高，分辨细节能力强，该紫 外探测器件结构简单、体积小、重量轻、制作工艺简单，生产成本低，所需 材料便宜、种类多、来源广泛且可以通过化学合成制备，并且该紫外探测器 件可制备在柔性衬底上，可以增大拍摄广角。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方 案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应 属于本发明权利要求的保护范围。