專利名稱：一種基于膠體量子點的紅外光電探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于膠體量子點的紅外光電探測器及其制備方法，屬于光電探測 器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，有機-無機復(fù)合光電導器件的研究受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān) 注，并取得了許多研究成果。隨著對半導體納米晶的制備技術(shù)及其性質(zhì)研究的突破，推動了 納米晶/聚合物復(fù)合器件的發(fā)展，人們紛紛將半導體納米晶與有機聚合物相復(fù)合并應(yīng)用于 光電導器件的研究。半導體納米晶由于具有量子尺寸效應(yīng)使其吸收光譜的峰位可以通過控制量子點 的尺寸和形貌進行調(diào)節(jié)，有機聚合物可以通過溶液甩膜方式在襯底上成膜，具有工藝簡單、 成本低廉的優(yōu)點，從而廣泛應(yīng)用于光電器件的制作中。另外，有機聚合物本身具有相對較大 的激子束縛能以及低的電子遷移率等特性。因此將半導體納米晶與有機(聚合物)材料復(fù) 合并制備有機-無機復(fù)合光電導器件是目前應(yīng)用研究的熱點之一。這種光電導器件是構(gòu)建 施主-受主異質(zhì)結(jié)的器件，在兩種材料的界面處要求存在著由于電子親合能和離化能之差 形成的靜電力，這就要求聚合物分子的電子親合勢和離化能比納米晶要大，這樣才會形成 內(nèi)建電場，從而驅(qū)使電荷分離。如果勢能差大于激子束縛能，這些局域內(nèi)電場會很強并使光 生激子解離。另外，硫化鉛0 是一種重要的直接窄禁帶半導體材料，在室溫下，其禁帶 寬度約為0. 4eV,其波爾激子半徑則相對較大( 18nm)。這些特性使PbS對紅外輻射很敏 感，相對于其他溶液法制備的半導體量子點材料，PbS表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢而被廣泛用作為 紅外探測材料。另外，由于MEH-PPV具有較低的離化勢能(約在4. 9eV和5. lev之間)以 及PCBM具有很好的空穴傳輸性能。因此，我們選用MEH-PPV和PCBM來作為載流子受體及 載流子傳輸材料，并用PbS量子點來敏化它們，從而使器件的吸收光譜擴展到紅外波段。此 夕卜，MEH-PPV與I^bS量子點之間相近的HOMO能級以及PCBM與I^bS量子點之間相近的LUMO 能級分別有利于量子點產(chǎn)生的空穴和電子向相應(yīng)電極的傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種基于膠體量子點的紅外光電探測器及其制備方法， 即利用膠體量子點PbS摻入到有機聚合物或有機聚合物的混合物中使其對太陽光的吸收 增強并將其吸收光譜由可見光波段拓展到紅外波段，從而增強了光電流強度、進而提高紅 外光電探測器靈敏度的制備技術(shù)和方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種基于膠體量子點的紅外光電探測器，包括氧化銦錫(ITO)玻璃、 PEDOTPSS空穴注入層、有機活性層和電極；其中有機活性層包括膠體量子點和有機聚合 物；上述的PEDOT PSS是由PEDOT和PSS兩種物質(zhì)構(gòu)成，PEDOT是EDOT (3，4-乙撐二氧噻吩單體)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸鹽，PEDOT和PSS的質(zhì)量比為1 2. 5 ；上述膠體量子點為吸收峰在紅外波段(波長大于SOOnm)的半導體材料，優(yōu)選為 PbS ；上述的有機聚合物為MEH-PPV和PCBM的混合物；其 中 MEH-PPV 為 Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-l, 4-phenylenevinylene], PCBM 為[6,6] -Phenyl C61butyric acid methyl ester ；膠體量子 點、MEH-PPV和PCBM的質(zhì)量比為2 :1:4;上述電極為功函數(shù)小于等于4. ;3eV的金屬電極優(yōu)選為鋁電極、多層金屬電極優(yōu)選 為Ca/Al或者金屬合金優(yōu)選為Mg/Ag合金；上述的紅外光電探測器還可以包括電子傳輸層和空穴傳輸層。本發(fā)明的一種基于膠體量子點的紅外光電探測器的制備方法，具體步驟為在ITO玻璃表面旋涂一層PED0T:PSS空穴注入層，然后真空烘烤，烘烤溫度為 110 130°C，烘烤時間為10 30min ；再在PEDOTPSS空穴注入層上旋涂一層有機活性層； 最后真空條件下在有機活性層上蒸鍍電極，即得到紅外光電探測器。還可以通過設(shè)計ITO和電極不同的圖案得到場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的紅外光電探測器。有機活性層中的有機聚合物或膠體量子點吸收光子后，使得電子很容易由PbS轉(zhuǎn) 移到PCBM上，而空穴很容易由PbS轉(zhuǎn)移到MEH-PPV上，這樣就實現(xiàn)了電荷分離，由此可以看 出這種界面電荷的轉(zhuǎn)移和分離可以降低激子的復(fù)合速率，從而增加器件的光電導率。將MEH-PPV與PCBM混合之后，其混合溶液的吸收光譜是單組分材料的吸收光譜的 線性疊加；再在該混合溶液中進一步摻入PbS膠體量子點之后，該最后混合溶液的吸收光 譜擴展到紅外波段。因此基于該混合溶液為有機活性層制備的光電探測器件能吸收可見光 波段及紅外光波段，其光電流響應(yīng)增強，靈敏度提高。有益效果本發(fā)明的光電探測器結(jié)構(gòu)簡單；能夠探測紅外波段；PbS膠體量子點的加入降低 激子的復(fù)合速率，從而增加光電探測器的光電導率；PbS膠體量子點的加入對聚合物具有 敏化作用，從而使光電流增加更快；PCBM和MEH-PPV混合物的使用能夠形成良好的互穿網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得光生激子有效地分離并快速傳輸，復(fù)合幾率大大降低，光電流明顯增大，能量 轉(zhuǎn)換效率提高。


圖1為紅外光電探測器的各組分的能級分布圖；圖2為實施例1、對比例1和對比例2中制備的光電探測器在中心波長為980nm的 半導體激光器的70mW/cm2光照強度條件下光照的I-V曲線；圖3為實施例1制備的光電探測器在中心波長為980nm的半導體激光器的70mW/ cm2光照強度條件下光照的I-V曲線和沒光照條件下的I-V曲線對比圖；圖4為PbS溶液、MEH-PPV溶液以及PCBM溶液的吸收光譜圖；圖5為PbS溶液、MEH-PPV溶液和PCBM溶液的混合溶液的吸收光譜圖；圖6為實施例1制備的紅外光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖7為實施例2制備的紅外光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1基于膠體量子點的紅外光電探測器，包括ITO玻璃、PEDOTPSS空穴注入層、有機 活性層和電極；其中ITO玻璃在可見光以及近紫外光范圍內(nèi)透過率為85% ；PED0T:PSS空 穴注入層有利于空穴注入；有機活性層包括膠體量子點I^bS、MEH-PPV和PCBM，膠體量子點 PbS、MEH-PPV和PCBM的質(zhì)量比為2 1 4 ；電極為鋁電極，其功函數(shù)為4. ；紅外光電 探測器的各組分的能級分布圖如圖1所示，由圖1可以得知，鋁與膠體量子點I^SJEH-PPV、 PCBM有好的能級匹配，有利于電荷的收集，而且Al在空氣中穩(wěn)定；上述的PEDOT PSS是由PEDOT和PSS兩種物質(zhì)構(gòu)成，PEDOT是EDOT (3，4-乙撐二 氧噻吩單體)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸鹽，PEDOT和PSS的重量比為1 2. 5?；谀z體量子點的紅外光電探測器的制備方法，具體步驟為首先用脫脂棉和洗滌劑反復(fù)擦拭ITO玻璃，并用自來水沖洗干凈，然后再分別用 丙酮、乙醇和去離子水超聲各15分鐘，在超凈間中用氮氣吹干后在ITO玻璃表面旋涂一層 40nm厚的PEDOTPSS空穴注入層，放入真空烘箱中在120°C下烘烤20分鐘；再在PEDOTPSS 空穴注入層上旋涂一層IOOnm厚的有機活性層；最后在有機活性層上、4X 10-3 的真空條 件下蒸鍍150nm厚的鋁電極，即得到基于膠體量子點與有機聚合物的紅外光電探測器，如 圖6所示。實施例2基于膠體量子點的紅外光電探測器，包括ITO玻璃、有機活性層和電極；其中 ITO玻璃在可見光以及近紫外光范圍內(nèi)透過率為85% ；有機活性層包括膠體量子點I^bS、 MEH-PPV和PCBM，膠體量子點PbS、MEH-PPV和PCBM的質(zhì)量比為2 1 4;電極為鋁電極， 其功函數(shù)為4. 2eV ；紅外光電探測器的各組分的能級分布圖如圖1所示，由圖1可以得知， 鋁與膠體量子點I^bSJEH-PPVlCBM有好的能級匹配，有利于電荷的收集，而且Al在空氣中 穩(wěn)定?；谀z體量子點的紅外光電探測器的制備方法，具體步驟為首先用脫脂棉和洗滌劑反復(fù)擦拭氧化銦錫(ITO)玻璃，并用自來水沖洗干凈，然 后再分別用丙酮、乙醇和去離子水超聲各15分鐘，在超凈間中用氮氣吹干后在ITO玻璃表 面旋涂IOOnm厚的有機活性層；最后在有機活性層上、4X10_3Pa的真空條件下蒸鍍150nm 厚的鋁電極，即得到基于膠體量子點與有機聚合物的具有場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的紅外光電探 測器，如圖7所示。對比例1紅外光電探測器和制備方法同實施例1，其中不同的是以MEH-PPV+PbS代替 MEH-PPV+PCBM+PbS作為有機活性層，最后制得基于膠體量子點與有機聚合物的紅外光電探 測器。對比例2紅外光電探測器和制備方法同實施例1，其中不同的是以PCBM+PbS代替MEH-PPV+PCBM+PbS作為有機活性層，最后制得基于膠體量子點與有機聚合物的紅外光電探 測器。實施例1、對比例1和對比例2中制備的光電探測器在中心波長為980nm的半導體 激光器的70mW/cm2光照強度條件下光照的I-V曲線如圖2所示；由圖中可以得知由實施例1得到的光電探測器的光電流最強；實施例1制備的光電探測器在中心波長為980nm的半導體激光器的70mW/cm2光 照強度條件下光照的I-V曲線和沒有光照條件下的I-V曲線對比圖如圖3所示；由圖中可知，實施例1在光照條件下的靈敏度高于沒有光照時的靈敏度。PbS溶液、MEH-PPV溶液以及PCBM溶液的吸收光譜圖如圖4所示，PbS溶液、 MEH-PPV溶液和PCBM溶液的混合溶液的吸收光譜圖如圖5所示，由圖4和圖5可知，PbS溶 液、MEH-PPV溶液和PCBM溶液的混合溶液的吸收光譜是PbS溶液、MEH-PPV溶液以及PCBM 溶液的吸收光譜的線性疊加；由圖5可知，在混合溶液中摻入PbS溶液之后，該最后混合溶液的吸收光譜擴展到 紅外波段；因此基于該混合溶液為有機活性層制備的光電探測器件能吸收可見光波段及紅 外光波段，其光電流響應(yīng)增強，靈敏度提高。
權(quán)利要求
1.一種基于膠體量子點的紅外光電探測器，包括氧化銦錫玻璃、PEDOTPSS空穴注入 層、有機活性層和電極；其特征在于有機活性層包括膠體量子點和有機聚合物；PEDOTPSS是由PEDOT和PSS兩種物質(zhì)構(gòu)成，PEDOT是3，4-乙撐二氧噻吩單體的聚合 物，PSS是聚苯乙烯磺酸鹽，PEDOT和PSS的質(zhì)量比為1 2. 5 ；膠體量子點為吸收峰在紅外波段的半導體材料；有機聚合物為MEH-PPV和PCBM的混合物；其中 MEH-PPV 為 Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene], PCBM 為[6,6]-Phenyl C61butyric acid methyl ester ；膠體量子點、MEH-PPV 和 PCBM 的質(zhì) 量比為2 :1:4;電極為功函數(shù)小于等于4. 3eV的金屬電極、多層金屬電極或者金屬合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于膠體量子點的紅外光電探測器，其特征在于膠體 量子點優(yōu)選為I^bS。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于膠體量子點的紅外光電探測器，其特征在于金屬 電極優(yōu)選為鋁電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于膠體量子點的紅外光電探測器，其特征在于多層 金屬電極優(yōu)選為Ca/Al。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于膠體量子點的紅外光電探測器，其特征在于金屬 合金優(yōu)選為Mg/Ag合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于膠體量子點的紅外光電探測器，其特征在于紅外 光電探測器還包括電子傳輸層和空穴傳輸層。
7.一種基于膠體量子點的紅外光電探測器的制備方法，其特征在于具體步驟為在氧 化銦錫玻璃表面旋涂一層PEDOTPSS空穴注入層，然后真空烘烤，烘烤溫度為110 130°C， 烘烤時間為10 30min ；再在PED0T:PSS空穴注入層上旋涂一層有機活性層；最后真空條 件下在有機活性層上蒸鍍電極，即得到紅外光電探測器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于膠體量子點的紅外光電探測器的制備方法，其特征 在于通過設(shè)計氧化銦錫和電極不同的圖案得到場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的紅外光電探測器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于膠體量子點的紅外光電探測器及其制備方法，屬于光電探測器技術(shù)領(lǐng)域。在ITO玻璃表面旋涂一層PEDOT:PSS空穴注入層，然后真空烘烤；再在PEDOT:PSS空穴注入層上旋涂一層有機活性層；最后真空條件下在有機活性層上蒸鍍電極，即得到紅外光電探測器。本發(fā)明的光電探測器結(jié)構(gòu)簡單；能夠探測紅外波段；PbS膠體量子點的加入降低激子的復(fù)合速率，從而增加光電探測器的光電導率；PbS膠體量子點的加入對聚合物具有敏化作用，從而使光電流增加更快；PCBM和MEH-PPV混合物的使用能夠形成良好的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得光生激子有效地分離并快速傳輸，復(fù)合幾率大大降低，光電流明顯增大，能量轉(zhuǎn)換效率提高。
文檔編號H01L31/0256GK102110736SQ20101053948
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者楊盛誼, 趙娜, 鄒炳鎖 申請人:北京理工大學