一种可拉伸光电探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电传感器领域，尤其涉及一种可拉伸光电探测器及其制备方法。

背景技术

柔性电子正成为未来电子产品发展的新趋势、不同于传统刚性电子产品，柔性电子产品能在一定范围的形变条件下正常工作。在柔性光电探测器研究领域中，柔性光探测技术的快速发展对敏感材料的敏感性与柔韧性要求越来越高。如何将柔性电子器件的柔性进一步加强，比如柔性光电探测器，使其实现强大的可拉伸性仍然具有很大挑战。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可拉伸光电探测器及其制备方法，旨在解决现有光电探测器可拉伸性能较低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种可拉伸光电探测器，其中，包括衬底，设置在所述衬底上的源极、漏极和栅极，设置在所述源极、漏极和栅极两两之间的蛇形电极，设置在所述栅极上的有源层，包裹在所述衬底、源极、漏极、栅极和有源层外的介电层，所述介电层的材料为醇类水凝胶。

可选地，所述醇类水凝胶为基于乙二醇的水凝胶。

可选地，所述基于乙二醇的水凝胶由乙二醇、海藻酸钠、丙烯酰胺、过硫酸铵、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、硫酸钙、1,2-双(二甲基氨基)乙烷和去离子水制备得到。

可选地，所述乙二醇与去离子水的质量比为(3.4～12.5)：86。

可选地，所述介电层的厚度为15±3mm。

可选地，所述衬底的材料为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)。

可选地，所述有源层的材料为聚合物和富勒烯衍生物的混合物。

可选地，所述聚合物为聚(二酮吡咯并吡咯并噻吩并噻吩)(PDPP2T)，所述富勒烯衍生物为[6，6]-苯基-C61-丁酸异甲酯(PC

可选地，所述PDPP2T与PC

一种如上所述的可拉伸光电探测器的制备方法，其中，包括步骤：

提供基底；

在基底上制备衬底；

在衬底上制备源极、漏极、栅极和蛇形电极；

在栅极上制备有源层；

将衬底从基底上剥离；

将介电层包裹在衬底、源极、漏极、栅极、蛇形电极和有源层外，所述介电层的材料为醇类水凝胶，得到所述可拉伸光电探测器。

有益效果：本发明提供一种可拉伸光电探测器及其制备方法，本发明采用醇类水凝胶作为介电层的材料，使得光电探测器具有可拉伸性，同时具有较高的保湿性。将介电层包裹在衬底、源极、漏极、栅极、蛇形电极和有源层外，可以有效保护光电探测器内部器件。本发明的制备方法简单、成本低、并且操作方便。

附图说明

图1为可拉伸光电探测器的平面结构示意图。

图2为可拉伸光电探测器的立体结构示意图。

图3为可拉伸光电探测器的制备流程图。

图4是本发明实施例1可拉伸光电探测器电学性能测试结果图。

图5是本发明实施例1可拉伸光电探测器拉伸至0％、50％和100％的电容稳定性测试结果图。

具体实施方式

本发明提供一种光电探测器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种可拉伸光电探测器，如图1-2所示，包括衬底1，设置在所述衬底1上的源极3、漏极4和栅极5(蛇形结构)，设置在所述源极3、漏极4和栅极5两两之间的蛇形电极7，设置在所述栅极5上的有源层2，包裹在所述衬底1、源极3、漏极4、栅极5和有源层2外的介电层6，所述介电层6的材料为醇类水凝胶。

本实施例中，由于醇类水凝胶具有柔韧度好和含水量高、生物相容性良好的特点，使得所述醇类水凝胶在提高光电探测器的可拉伸性的同时，还提高了光电探测器的保湿性和抗干燥能力，使光电探测器能够在空气中保存，提高光电探测器的生物兼容性。此外，采用“包裹式”的方式，将所述介电层包裹在所述衬底、源极、漏极、栅极、蛇形电极和有源层外，可以有效的保护介电层内部器件。

本实施例中，所述蛇形电极的设置进一步提升了所述光电探测器的可拉伸性。

在一种实施方式中，所述源极、漏极、栅极和蛇形电极均包括层叠设置的粘附层和导电层，所述粘附层与衬底贴合设置。在一种实施方式中，所述粘附层的材料为金属铬或钛，所述导电层的材料为金属金。

在一种实施方式中，所述粘附层的厚度为5-10nm，所述导电层的厚度为90-100nm。

在一种实施方式中，所述醇类水凝胶为基于乙二醇的水凝胶。

所述基于乙二醇的水凝胶具有高的保湿性和柔韧性、以及高度可拉伸性和生物相容性等优点，有利于提高光电探测器的拉伸性能和保湿性。同时，所述基于乙二醇的水凝胶能够与人体皮肤表皮紧密贴合，有利于提高光电探测器在长期工作时的稳定性及抗干扰能力。

在一种实施方式中，所述基于乙二醇的水凝胶由乙二醇、海藻酸钠、丙烯酰胺、过硫酸铵、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、硫酸钙、1,2-双(二甲基氨基)乙烷和去离子水制备得到。

所述基于乙二醇的水凝胶内部独特的海藻酸钠-丙烯酰胺双网络结构赋予了所述光电探测器极强的机械性能。所述基于乙二醇的水凝胶内部含有阴阳离子，作为介电层能够在与有源层的接触面形成双电层结构，从而具有大电容特性，可以降低器件的工作电压。

在一种实施方式中，所述乙二醇与去离子水的质量比为(3.4～12.5)：86。

在一种实施方式中，所述海藻酸钠和丙烯酰胺的质量比为(1～1.5)：(2.6:3.0)，过硫酸铵和N,N′-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为(16.6～17)：1。在此范围内，可以使所述光电探测器具有更好的保湿性和更优异的抗干燥能力。

在一种实施方式中，所述介电层的厚度为15±3mm。

在一种实施方式中，所述衬底的材料为SEBS。所述SEBS为热塑性弹性体，具有透明性、热稳定性、高弹性及高扯断拉伸强度，可适应各种形变需求，适宜作为可拉伸衬底，用所述SEBS作衬底材料，可制备出可拉伸衬底，能够进一步提高光电探测器的可拉伸性。

在一种实施方式中，所述有源层的材料为聚合物和富勒烯衍生物的混合物。

在一种实施方式中，所述聚合物为PDPP2T(ALDRICH

791989-100MG)，所述PC

在一种实施方式中，所述PDPP2T与PC

一种如上所述的可拉伸光电探测器的制备方法，如图3所示，包括步骤：

S1、提供基底(图中未示出)；

S2、在基底上制备衬底；

S3、在衬底上制备源极、漏极、栅极和蛇形电极；

S4、在栅极上制备有源层；

S5、将衬底从基地上剥离；

S6、将介电层包裹在衬底、源极、漏极、栅极、蛇形电极和有源层外，所述介电层的材料为醇类水凝胶，得到所述可拉伸光电探测器。

步骤S1中，在一种实施方式中，所述基底为硅片。

步骤S2中，在一种实施方式中，所述衬底材料为SEBS，在所述基底上制备衬底的步骤，具体包括：

制备SEBS溶液；

将SEBS溶液旋涂在基底上；

将含有SEBS溶液的基底放置在加热台上进行退火，得到SEBS衬底。

在一种实施方式中，所述SEBS溶液由粉末状SEBS溶解于二氯苯中制备得到。其中，所述SEBS溶液的浓度为200-300mg/mL。

在一种实施方式中，所述旋涂的转速为400rpm，时间为30s。

在一种实施方式中，所述退火的温度为70℃，时间为1h。

步骤S3中，在一种实施方式中，将所述源极、漏极、栅极和蛇形电极真空蒸镀在所述衬底上，所述蛇形电极具有可拉伸性，所述源极、漏极、栅极和蛇形电极均包括粘附层和导电层，所述粘附层的材料为金属铬或钛，所述导电层的材料为金属金。

在一种实施方式中，所述粘附层的厚度为5-10nm，所述导电层的厚度为(90～100nm)。

在一种实施方式中，还可以将所述源极、漏极、栅极和蛇形电极光刻在所述衬底上。

步骤S4中，在一种实施方式中，在栅极上制备有源层的步骤，具体包括：

将所述PDPP2T和PC

将所述PDPP2T和PC

在一种实施方式中，所述加热搅拌的温度为95℃，时间为6h。

在一种实施方式中，所述退火处理的温度为145℃，时间为20min。

在一种实施方式中，所述旋涂采用前转加后转的方式，所述前转的转速为500rmp，时间为2s，所述后转的转速为2500rmp，时间为60s。

步骤S6中，在一种实施方式中，所述介电层的材料为醇类水凝胶，将所述介电层包裹在所述衬底、源极、漏极、栅极、蛇形电极和有源层外的步骤，具体包括：

将海藻酸钠、丙烯酰胺和乙二醇按一定的质量比加入到去离子水中，静置至完全溶解，得到第一水凝胶前体溶液。

在所述第一水凝胶前体溶液中加入适量的过硫酸铵和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，完全溶解后，进行抽真空，除去气泡，得到第二水凝胶前体溶液；

将所述设置有源极、漏极、栅极、蛇形电极和有源层的衬底与所述第二水凝胶前体溶液混合，加入少量硫酸钙和1,2-双(二甲基氨基)乙烷，在恒温水浴中，进行紫外灯照射，然后裁剪剥离，得到所述可拉伸光电探测器。

在一种实施方式中，所述恒温水浴的温度为50℃。

在一种实施方式中，所述紫外灯的波长为254nm，功率为8W。

在一种实施方式中，所述紫外灯照射时间为(1～2)h。

下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

可拉伸光电探测器的制备方法如下：

将SEBS粉末溶于二氯苯中制备得到250mg/mL的SEBS溶液，将SEBS溶液以400r/m的转速均匀涂甩于硅片上，然后在加热台上70℃退火1h，制备得到SEBS衬底。

在SEBS衬底上，先真空蒸镀一层铬，再在铬层上蒸镀一层金，制得四个铬金合金电极，分别作为源极、漏极、栅极和蛇形电极。

将PDPP2T与PC

将衬底从基底上剥离，得到表面上设置有源极、漏极、栅极、蛇形电极和有源层的衬底。

将0.5g海藻酸钠、4g丙烯酰胺和2ml乙二醇加入28ml去离子水中，静置至完全溶解。然后，在溶液中加入40mg过硫酸铵和2.4mgN,N′-亚甲基双丙烯酰胺，完全溶解后，对溶液进行抽真空，除去气泡，得到水凝胶前液。

将表面上设置有源极、漏极、栅极和有源层的衬底放在玻璃皿当中，取一定量的水凝胶前液放置于玻璃皿中，使两者混合，加入66.4mg硫酸钙和12.8μl 1,2-双(二甲基氨基)乙烷。然后，在50℃恒温水浴，并在波长为254nm、功率为8W的紫外灯下照射1h，得到可拉伸光电探测器。

电学性能测试：

将制备得到的可拉伸光电探测器进行电学性能测试，其中开关比高达10

电容稳定性测试：

将制备得到的可拉伸光电探测器进行拉伸，拉伸至0％、50％和100％进行电容稳定性测试，ml结果如图5所示，可以发现拉伸后与拉伸前相比，电容变化不大，稳定性较高。

综上所述，本发明提供的一种可拉伸光电探测器及其制备方法，本发明采用醇类水凝胶作为介电层的材料，使得光电探测器具有可拉伸性，同时具有较高的保湿性。进一步将高弹性的SEBS材料作为衬底，并设计蛇形电极，更大程度上提高了光电探测器的拉伸性能。将介电层包裹在衬底、源极、漏极、栅极、蛇形电极和有源层外，可以有效保护光电探测器内部器件，本发明采用溶液法制备可拉伸光电探测器，克服了光电探测器保湿性较差的问题，提高了光电探测器的可拉伸性能和生物兼容性。本发明的制备方法简单、成本低、并且操作方便。本发明借助有机晶体管的载流子传输机制和双电层模型设计构建了可拉伸、高保湿的柔性光电探测器，降低了光电探测器的工作电压，优化了光响应度，提高了灵敏度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。