基于有機(jī)寬帶隙半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)型紫外探測(cè)材料與器件.pdf

1、紫外探測(cè)技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用.目前,商業(yè)化的半導(dǎo)體紫外探測(cè)器主要采用的是無(wú)機(jī)材料,但它們的加工工藝復(fù)雜,生產(chǎn)成本高昂,不利于大規(guī)模應(yīng)用。相比之下,有機(jī)半導(dǎo)體則具有成本低廉、加工性能優(yōu)異、柔性、可大面積制作等優(yōu)點(diǎn),且其帶隙可通過(guò)分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行靈活調(diào)控,易于實(shí)現(xiàn)紫外光的選擇性吸收,因而是一種很有潛力的紫外探測(cè)材料。另一方面,盡管有機(jī)半導(dǎo)體在過(guò)去二十年取得了快速發(fā)展,但其在紫外光作用下的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系還基本不清楚,是材料

2、科學(xué)前沿尚需解決的問(wèn)題,在學(xué)術(shù)上有著重要的意義。本論文在評(píng)述有機(jī)紫外探測(cè)材料與器件研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,針對(duì)該領(lǐng)域新材料體系匱乏、物理現(xiàn)象/機(jī)制研究不足的現(xiàn)狀,開(kāi)展了研究工作,獲得了一些有意義的進(jìn)展。
　　 將低溫濕化學(xué)法制備的ZnO納米粒子分散在聚(9,9-二已基芴)(PFH)溶液中,通過(guò)旋涂得到聚合物納米復(fù)合薄膜,并以此為活性層制備了本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)型的雜化紫外探測(cè)器。研究了ZnO含量對(duì)薄膜形貌、光物理特性及相應(yīng)器件性能的影

3、響。當(dāng)ZnO含量為33 wt％時(shí),器件在1 mW/cm2365 nm紫外光照下的光伏效率為1.77％,-1 V偏壓下的響應(yīng)率為94 mA/W,光暗電流比為3個(gè)數(shù)量級(jí).同樣通過(guò)旋涂制備了基于PFH/ZnO雙層復(fù)合薄膜的正、反向平面異質(zhì)結(jié)(PHJ)器件,在同等光照下,光暗電流比也可達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
　　 發(fā)現(xiàn)上述雜化器件在紫外光激發(fā)后出現(xiàn)了持續(xù)光導(dǎo)現(xiàn)象,為此,系統(tǒng)考察了氣氛、偏壓等對(duì)器件瞬態(tài)響應(yīng)行為的影響,結(jié)果表明,ZnO缺陷的存

4、在是導(dǎo)致該現(xiàn)象的物理起因.進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)空氣陳化或采用正向PHJ的器件構(gòu)型可以消除持續(xù)光導(dǎo)的不利影響,從而實(shí)現(xiàn)器件的快速響應(yīng)。
　　 設(shè)計(jì)、合成了兩種基于咔唑和三芳胺取代芴的寬帶隙有機(jī)給體分子(CFC和FCF),并對(duì)其光物理特性、熱性能、電化學(xué)性能及溶液成膜性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,兩種分子的光學(xué)吸收均在400 nm以下,且具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和溶液成膜性能.通過(guò)濕化學(xué)法制備了ZnO納米粒子,并用十二胺對(duì)其進(jìn)行了表面修飾.

5、將修飾后的納米粒子分散在有機(jī)分子中,通過(guò)溶液旋涂得到復(fù)合薄膜,并以此為活性層制備了BHJ型的雜化紫外探測(cè)器。在1mW/cm2365 nm紫外光照下,器件的光暗電流比達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí),且能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。此外,CFC:ZnO和FCF:ZnO雜化器件的光譜響應(yīng)分別覆蓋了300～402nm和300～385 nm,因而可用于近紫外的選擇性探測(cè)。
　　 以萘酰亞胺(NDI-BA)為受體,PFH為給體,通過(guò)溶液旋涂制備了基于PFH:NDI-BA復(fù)

6、合薄膜的BHJ型的紫外探測(cè)器.研究了退火溫度及給、受體配比對(duì)薄膜形貌及器件性能的影響.經(jīng)優(yōu)化,PFH和NDI-BA之間可以發(fā)生適度相分離,相應(yīng)器件在1 mW/cm2365 nm紫外光照下的光暗電流比大于2個(gè)數(shù)量級(jí),-4 V偏壓下的響應(yīng)率為224 mA/W.同時(shí)以PFH/NDI-BA雙層薄膜為活性層制備了PHJ型的器件,在365 nm紫外光照下,其光伏效率達(dá)到3.3％。
　　 合成了以深紫外吸收為主的寬帶隙有機(jī)受體NSN,將四種不

7、同帶隙的有機(jī)材料(PFH,m-MTDATA,PFP和PVK)作為給體,分別和NSN制備了PHJ型的有機(jī)紫外探測(cè)器.研究表明,通過(guò)選擇不同給體,器件的響應(yīng)截止邊在370～425 nm可調(diào)。以半透明的鋁電極為透光窗口,器件的響應(yīng)范圍擴(kuò)展至深紫外區(qū)。進(jìn)一步制備了基于有機(jī)染料的濾光薄膜,并借此濾除入射光中的近紫外光,PFP/NSN和PVK/NSN異質(zhì)結(jié)器件均可實(shí)現(xiàn)深紫外選擇性探測(cè).
　　 上述研究成果拓展了有機(jī)半導(dǎo)體材料的研究領(lǐng)域,豐富