论文部分内容阅读
由于在弱光探测、火焰检测、环境监测、光通信、遥控装置和图像传感等方面的应用,有机光探测器越来越受到科研院校和业界的关注。目前有机光探测器的器件结构多数以垂直光伏型（电极距离≈100 nm）为主,虽然响应速度快,但存在暗电流大的问题,影响了光探测器的灵敏度。高性能的有机光探测器需要具备高增益（或EQE）、大的响应度及高的光电流（光化学因素）,同时快响应速度及低的暗电流（电学因素）是衡量器件灵敏度的重要指标。近年来,纳米粒子凭借其特有的量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应及体积效应等优异性质,在光电器件中表现出独特的电学效应、表面增强荧光、能量转移和散射效应等,是提升光电器件性能的一种简便、有效的方法,受到越来越多科学家的关注。针对有机光探测器暗电流大的问题,我们围绕银纳米粒子（Ag-NPs）的电学效应和光学效应设计实验,以达到提升有机光探测器性能的目的。在Ag-NPs的电学效应方面,首先我们利用有机场效应晶体管（OFETs）单载流子传输的特性,对Ag-NPs的电学效应进行了系统定量的分析,明确了Ag-NPs捕获电荷的机理。同时我们在Ag-NPs的电学效应中引入弱光,成功实现了光激活Ag-NPs浮栅器件电效应存储,深入的研究了Ag-NPs电学效应所表现的电荷存储性质。从Ag-NPs的电学效应机理出发,设计了新型的平面光伏型有机光探测器结构,为利用Ag-NPs的捕获效应以及被释放的空穴复合活性层中的残留光生电子来降低有机光探测器中的暗电流提供了可行性方法。同时我们利用Ag-NPs的局域等离子体共振效应（LSPR）来增强光吸收,并且光生电子累积形成的光生电场能促进载流子拆分,进而增加了有机光探测器的响应度。为了提升有机光探测器的光电流密度,我们还设计了在传输过程中的载流子浓度更集中的光敏场效应晶体管,进一步提高光探测器的性能。本论文的工作主要分为以下三个部分:第一部分工作中从金属纳米粒子的电学效应研究存在的问题出发,分别从电学效应的定量分析及储存电荷的电学性质2个方面展开研究。首先,我们利用OFETs单载流子传输的特性,通过蒸镀Ag-NPs并调控其形貌能够有效的控制电学效应,实现了纳米粒子尺寸依赖电荷捕获的系统结论。其次,利用Ag-NPs的电学效应中引入弱光,成功实现了光激活Ag-NPs浮栅器件电效应存储。这些器件在暗态下没有表现出存储行为,但是施加一个弱光（0.015 mW/cm2）后,能够有效实现12.5-35 V的存储窗口。结果证明,Ag-NPs表面能够储存空穴,而累积在活性层或者活性层/绝缘层界面的光生电子可以提供一个光生电场,在电荷捕获过程和捕获的电荷稳定储存在浮栅中都起了积极的作用。第二部分工作中从Ag-NPs电学效应的机理出发,结合Ag-NPs的光学效应,设计了新型的平面光伏型有机光探测器结构。一方面,在基于高性能的PffBT4T-2OD:PC61BM器件中,利用Ag-NPs的捕获效应以及被释放的空穴复合活性层中的残留光生电子来降低暗电流（79.6%）,并且在光生电场和局域等离子体共振（LSPR）作用下能提升光电流（32.2%）。额外增加的光电流确保了Ag-NPs器件的响应度（R）和增益（G）在大多数光强下保持高的稳定性。同时Ag-NPs器件的光生载流子寿命（?=6.1 ms）明显短于标准器件的（?=70 ms）,极大的提升了光开关的响应速度（tr=22 ms,tf=13 ms）。另一方面,借助平面光伏型结构,PTB7:PC61BM体系的光探测器同样展现出优异的响应度、增益及比探测率,并且光探测器的性能与外加电压的强弱相关。光开关的稳定性能与材料的迁移率、光生载流子寿命、PC61BM及Ag-NPs掺杂有关,经过有效的调控,低迁移率的PTB7:PC61BM体系也能获得较好的开关稳定性能。加入Ag-NPs后,PTB7:PC61BM材料的光生载流子寿命由4.958 s下降到0.368 s。第三部分工作中从有机二极管光探测器存在载流子浓度低的问题出发,设计了基于高迁移率FBT-Th4（1,4）:PC61BM材料、在传输过程中的载流子浓度更集中的光敏场效应晶体管,进一步提高有机光探测器的响应度和比探测率。FBT-Th4（1,4）:PC61BM材料的有机光敏晶体管在弱光下（0.0031 mW/cm2）展现出优异的光探测性能:Vg=0 V时,FBT-Th4（1,4）和FBT-Th4（1,4）:PC61BM（D/A比5:1）器件的响应度分别为5565（A/W）和7265（A/W）,又有极高的比探测率（分别为2.1×1015（Jones）和7.7×1014（Jones））。栅压的大小影响着栅控光开关的比值,利用不同的开态栅压可对栅控光开关进行有效调控:Vg=0 V时,FBT-Th4（1,4）:PC61BM（D/A比5:1）材料的器件在暗态和弱光下（0.0031 mW/cm2）的开关比分别为Ion/Ioff=3×103和Ion/Ioff=1×105,光照时获得更加优异的开关性能。结合有机光敏晶体管在暗态和光照下明显区分的开态和关态电流状态,获得了四种情况下的逻辑栅控开关,极大满足了光电器件在不同环境下对栅控开关的应用需求。