论文部分内容阅读
有机光电探测器（OPD）具备质轻、柔性和可溶液加工等优势,是新一代光电探测器技术领域的主要发展方向。与无机光电探测器类似,OPD器件的响应波长范围一般较宽,不具备波长选择性。因此,无法直接应用于成像,生物医疗等需要分辨波长的应用场景。为解决这一问题,窄带响应OPD器件应运而生。OPD器件的窄带响应一般是通过集成窄带滤光片,或针对性地开发窄带吸收有机半导体材料得以实现。然而,该类窄带响应OPD器件的制备成本较高,响应波长不易调控,无法满足高分辨光谱探测应用所需的技术要求。另一种实现窄带响应的方法是将OPD器件与法布里-珀罗谐振腔结合。在此类谐振腔OPD器件中,光学微腔效应会大幅提升有机半导体薄膜对某一特定波长的吸收,并抑制其对其他波长的吸收,从而使器件展现出极高的波长选择性。更重要的是,谐振腔OPD器件的响应波长随谐振腔腔体长度的改变而改变,具有可连续调控的特点。因此,谐振腔OPD器件在光谱探测技术领域拥有极大的发展潜力。目前,谐振腔增强型OPD器件的光电探测性能还亟待提高。在器件的光学耦合方面,我们需要进一步增大器件响应波长（λm）的可调控范围、降低响应峰的全高半峰宽值（FWHM）,并提升器件对响应波长的选择性;此外,从器件电学角度出发,我们需进一步提升器件的量子效率及光响应度,同时,还需降低器件的暗电流和噪声电流,最终,提高谐振腔OPD器件对响应波长的比探测率（D*）。为实现这一目标,本论文围绕谐振腔器件光学耦合和电荷抽取这两个机理性问题开展研究工作,具体研究内容如下:（1）通过传输矩阵（TMM）光学模拟,明确了谐振腔OPD器件的前、后反射镜、活性层和界面层的光学性质参数,包括光学常数及薄膜厚度,与器件光响应谱图的关系。研究结果表明,器件对响应波长的选择性随前、后端反射镜的反射率（R1、R2）增加而增加,并随活性层吸收系数（α）增加而降低。然而,当前端反射镜的反射率过低,或当活性层的α过低,谐振腔器件的外量子效率（EQE）会严重受限。当器件中电极与活性层的界面存在光学寄生吸收（αx）时,降低界面的αx会提升器件对响应波长的选择性。其次,谐振腔器件响应波长（λm）的可调控范围是由活性层的吸收范围及谐振腔的腔长,即界面层和活性层的总厚度L,共同决定。增加活性层的吸收范围,或增加L,均有利于增加器件的响应波长可调控范围。以上TMM模拟结论为构建光学性能优异的谐振腔增强型OPD器件提供了理论基础。（2）设计并合成了一种具有较低带隙能量和较低吸收系数的聚合物PCDTPTSe给体材料。并以PCDTPTSe:PC71BM作为活性层,在TMM模拟的指导下,使用Zn O作界面光学分隔层,制备了一系列性能优异的谐振腔增强型OPD器件。实现了器件的一阶响应波长在较宽波长范围（660-1510 nm）内的连续调控,将器件的响应全高半峰宽值（FWHM）降低至22 nm。并将器件在谐振波长处的比探测率（D*）提升至2×1011 Jones。此外,该类谐振腔器件的线性动态范围宽至140 d B,响应时间快至100 ns。最后,我们构建了一系列基于PCDTPTSe:PC71BM,并具有不同响应波长的谐振腔OPD器件。通过将这些器件进行机械整合,构建了探测波长范围覆盖660-1600纳米的微型近红外光谱探测器,并成功使用该光谱探测器测定了水、乙醇和丙酮等溶剂的近红外吸收光谱,为谐振腔OPD器件的创新应用提供了全新的思路。（3）以非卤溶剂作为有机半导体材料的溶剂,构建了工业化生产兼容的谐振腔和非谐振腔OPD器件。研究了非卤溶剂选择对有机活性层形貌、器件量子效率（EQE）,光响应度,及器件暗电流密度（Jd）的影响规律。研究发现,使用CS2作溶剂得到的PCDTPTSe:PC71BM活性层薄膜具有优异的给受体形貌,可促使OPD器件的暗电流密度（Jd）降低和EQE提升。因此,使用非卤溶剂制备的器件的整体性能优于基于卤化溶剂制备的器件,其器件D*在1315 nm处高达2.71×1010 Jones。进一步研究表明,使用CS2作为有机半导体材料的溶剂可提升载流子的传输性能,因此,器件的响应速率更快,更有利于谐振腔OPD器件的产业化发展。（4）发展了氧等离子体表面处理,结合PEIE表面修饰的工艺方案,实现了对ITO基底电极功函数的连续调控。随后,构建了基于PEIE/ITO电极的OPD器件,通过控制等离子体表面处理策略,实现了对器件内建电场(Ebi)的连续调控。此外,探究了ITO电极功函数及OPD器件Ebi的可调控范围。研究发现,我们可通过控制等离子体表面处理时间及处理强度,在4.0-5.2 e V范围内,实现对PEIE/ITO电极功函数的连续调控。将处理后的电极作为阳极制备OPD器件,其Ebi随处理时间的增加、ITO功函数的增加而提升,器件的饱和暗电流随之降低。在PEIE/ITO电极经过足够长时间的等离子体表面处理后,该电极可作为优异的阳极制备正装OPD器件,器件性能与基于传统的PEDOT:PSS修饰后的ITO阳极的器件性能一致。以上结果显示,氧等离子体表面处理,结合PEIE表面修饰的工艺方案具有良好的实用价值和广阔的应用前景,为制备高性能的谐振腔增强型OPD器件提供了一种简单、普适性的实验策略。