一种光致诱导窄带光电探测器及其使用方法

技术领域

本申请实施例涉及光电探测技术领域，具体而言，涉及一种光致诱导窄带光电探测器及其使用方法。

背景技术

窄带光电探测器是能够对窄光谱范围(响应半峰宽小于100nm)的光信号进行特异性探测的光电转换器件，在光通讯、医学检测、环境监测、国防等领域具有十分广泛且重要的应用。

目前实现窄带光电探测的途径主要有两种：一个是通过具有滤光作用的外置滤光片将非探测波段的光信号进行选择性滤除，以实现对目标探测范围高光谱抑制比的光响应。这种方法的特点是外置滤光片只起到物理滤光的作用，不参与器件内部光电信号的转化，且精密复杂的外置滤光片结构(单层或多层)不仅使探测器的可靠性降低，还增加了器件的制造成本和集成应用的复杂度。

另一类方法是在器件内部进行功能层设计，通过光场分布调控、载流子行为调控或电场调制调控等手段，实现对光信号向电信号的特异性转化，实现窄带探测。比较有代表性的策略有电荷收集窄化(CCN)、电荷注入窄化(CIN)、激子解离窄化(EDN)等。这些策略的特点是在器件结构上进行设计，如CCN需要厚的活性层；CIN在活性层中引入陷阱，并需要大电压调制；EDN需要构建特定的给受体界面。

而这些具有高度代表性的特征结构在一定程度上也就限制了策略的普适性，且基于这些策略制备的器件很难具有较高的光谱抑制比，这对于降低噪声信号串扰，提升窄带光电探测器信噪比是一个巨大的难题。

发明内容

本申请实施例在于提供一种光致诱导窄带光电探测器及其使用方法，旨在降低窄带光电探测器使用时的噪声信号串扰，提高窄带光电探测器的信噪比。

本申请实施例第一方面提供一种光致诱导窄带光电探测器，其特征在于，包括：

基底；

阳极，设置在所述基底的一侧；

空穴传输层，设置在所述阳极背离所述基底的一侧；

光诱导复合滤光层，设置在所述空穴传输层背离所述阳极的一侧；

光响应层，设置在所述光诱导复合滤光层背离所述空穴传输层的一侧；

阴极，设置在所述光响应层背离所述光诱导复合滤光层的一侧；

其中，所述光诱导复合滤光层吸收的光的波长范围与所述光响应层吸收的光的波长范围不同，且所述光诱导复合滤光层的电子传导率大于所述光响应层的电子传导率。

可选地，所述光诱导复合滤光层包括单层结构或多层结构。

可选地，所述光诱导复合滤光层的材料包括钙钛矿材料、有机材料或无机材料。

可选地，所述光诱导复合滤光层吸收的光的波长小于所述光响应层吸收的光的波长。

可选地，所述光响应层的材料的带隙小于所述光诱导复合滤光层的材料的带隙。

可选地，所述光响应层为有机给受体共混薄膜，其中，所述给体材料包括D18、PM6、PBQx-TF、PTB7-Th中的至少一种，所述受体材料包括COTIC-4F、IEICO-4F、BTP-ec9、L8-BO、IT-4F中的至少一种。

本申请实施例第二方面提供一种光致诱导窄带光电探测器的使用方法，应用于如本申请实施例第一方面提供的光致诱导窄带光电探测器，所述光致诱导窄带光电探测器包括基底、阳极、空穴传输层、光诱导复合滤光层、光响应层和阴极，所述使用方法包括：

提供目标信号光；

将所述目标信号光从所述阳极入射至所述光致诱导窄带光电探测器内；

利用所述光致诱导窄带光电探测器对所述目标信号光产生的电信号进行探测。

可选地，在利用所述光致诱导窄带光电探测器对所述目标信号光产生的电信号进行检测的步骤之前，所述使用方法还包括：

提供诱导光，并将所述诱导光从所述阳极入射至所述光致诱导窄带光电探测器内，利用所述光诱导复合滤光层对所述诱导光进行吸收产生自由载流子；

其中，所述诱导光的波长大小在所述光诱导复合滤光层吸收的光的波长范围内。

可选地，所述诱导光包括单色光或多色光。

可选地，所述诱导光的亮度为大于或等于0mW/cm

有益效果：

本申请提供一种光致诱导窄带光电探测器及其使用方法，通过设置基底、阳极、空穴传输层、光诱导复合滤光层、光响应层和阴极，其中，光诱导复合滤光层吸收的光的波长与光响应层吸收的光的波长不同，且光诱导复合滤光层的电子传导率大于光响应层的电子传导率；这样，在将目标信号光入射至光电探测器内时，光诱导复合滤光层会将目标信号光中的噪声信号光吸收并产生电荷载流子，这部分电荷载流子会通过光响应层流向阴极，此时由于光诱导复合滤光层的电子传导率大于光响应层的电子传导率，因此这部分电荷载流子通过光响应层的速率会大大降低；这样，目标信号光中的噪声信号光对于最终探测结果的影响便会降低，从而降低了窄带光电探测器使用时的噪声信号串扰，提高窄带光电探测器的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提出的一种光致诱导窄带光电探测器的结构示意图；

图2是本申请一实施例提出的一种光致诱导窄带光电探测器中采用MAPbI

图3是本申请一实施例提出的一种光致诱导窄带光电探测器在无诱导光和有诱导光条件下的外量子效率曲线图；

图4是本申请一实施例提出的一种光致诱导窄带光电探测器在不同强度的诱导光照射下的光响应度曲线图；

图5是本申请一实施例提出的一种光致诱导窄带光电探测器在不同波长的诱导光照射下的光响应度曲线图；

图6是本申请一实施例提出的一种光致诱导窄带光电探测器中采用D18/L8-BO的光响应层的透过率曲线图；

图7是本申请一实施例提出的一种光致诱导窄带光电探测器在不同条件下对于目标信号光的响应度曲线图。

附图标记说明：1、基底、2、阳极；3、空穴传输层；4、光诱导复合滤光层；5、光响应层；6、阴极修饰层；7、阴极。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

相关技术中，实现窄带光电探测的途径主要有两种：一个是通过具有滤光作用的外置滤光片将非探测波段的光信号进行选择性滤除，以实现对目标探测范围高光谱抑制比的光响应。这种方法的特点是外置滤光片只起到物理滤光的作用，不参与器件内部光电信号的转化，且精密复杂的外置滤光片结构(单层或多层)不仅使探测器的可靠性降低，还增加了器件的制造成本和集成应用的复杂度。

另一类方法是在器件内部进行功能层设计，通过光场分布调控、载流子行为调控或电场调制调控等手段，实现对光信号向电信号的特异性转化，实现窄带探测。比较有代表性的策略有电荷收集窄化(CCN)、电荷注入窄化(CIN)、激子解离窄化(EDN)等。这些策略的特点是在器件结构上进行设计，如CCN需要厚的活性层；CIN在活性层中引入陷阱，并需要大电压调制；EDN需要构建特定的给受体界面。

而这些具有高度代表性的特征结构在一定程度上也就限制了策略的普适性，且基于这些策略制备的器件很难具有较高的光谱抑制比，这对于降低噪声信号串扰，提升窄带光电探测器信噪比是一个巨大的难题。

有鉴于此，本申请提供一种光致诱导窄带光电探测器及其使用方法，通过设置基底、阳极、空穴传输层、光诱导复合滤光层、光响应层和阴极，其中，光诱导复合滤光层吸收的光的波长与光响应层吸收的光的波长不同，且光诱导复合滤光层的电子传导率大于光响应层的电子传导率；这样，在将目标信号光入射至光电探测器内时，光诱导复合滤光层会将目标信号光中的噪声信号光吸收并产生电荷载流子，这部分电荷载流子会通过光响应层流向阴极，此时由于光诱导复合滤光层的电子传导率大于光响应层的电子传导率，因此这部分电荷载流子通过光响应层的速率会大大降低；这样，目标信号光中的噪声信号光对于最终探测结果的影响便会降低，从而降低了窄带光电探测器使用时的噪声信号串扰，提高窄带光电探测器的信噪比。

参照图1所示，为本申请实施例公开的一种光致诱导窄带光电探测器，该光电探测器包括基底1、阳极2、空穴传输层3、光诱导复合滤光层4、光响应层5和阴极7。

具体地，基底1为整个光电探测器的基础，基底1可以选用柔性基底1或刚性基底1。示例性地，在基底1具有刚性需求时，可以选用刚性材料，例如玻璃或氧化硅等等；在基底1具有柔性需求时，可以选用柔性材料，例如聚酰亚胺或聚对苯二甲酸二醇酯等等。在本申请实施例中，基底1的材料选用玻璃，以减少目标信号光在传输中的损耗。

阳极2设置在基底1的一侧，在目标信号光被光响应层5吸收后会产生激子，激子解离为电荷载流子，在内建电场的作用下，电荷载流子中的电子会向阴极7输运，空穴则会向阳极2输运，最终电子和空穴分别到达电极从而完成光信号到电信号的转化。在本申请实施例中，阳极2的材料可以选用氧化铟锡，氧化铟锡具有较好的透光性，以进一步降低目标信号光在传输中的损耗。

空穴传输层3设置在阳极2背离基底1的一侧，空穴传输层3的材料可以选用PEDOT:PSS(聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))或PTAA(聚(双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺))。

光诱导复合滤光层4设置在空穴传输层3背离阳极2的一侧。光诱导复合滤光层4主要用于对目标信号光中的噪声信号光进行吸收，以减少光电探测器使用时的噪声干扰。

具体地，光诱导复合滤光层4的材料可以包括钙钛矿材料，例如MAPbBr

光诱导复合滤光层4可以包括单层结构或多层结构。示例性地，在光诱导复合滤光层4为单层结构时，光诱导复合滤光层4可以只包括由钙钛矿材料形成的一层结构；在光诱导复合滤光层4为多层结构时，光诱导复合滤光层4可以包括由不同材料组成的多层结构。

在本申请实施例中，光诱导复合滤光层4选用MAPbI

需要说明的是，光诱导复合滤光层4的厚度可以根据滤光程度进行调节，一般需要使光诱导复合滤光层4在吸收波长范围内的光透过率应小于1％，以进一步提高光电探测器的信噪比。

光响应层5设置在光诱导复合滤光层4背离空穴传输层3的一侧。光响应层5主要用于对目标信号光进行吸收并产生电荷载流子，以实现光电转化。

具体地，由于光响应层5吸收的光(目标信号光)与光诱导复合滤光层4吸收的光(噪声信号光)不同，因此相对应地，光响应层5吸收的光的波长范围与光诱导复合滤光层4吸收的光的波长范围是不同的。示例性地，光响应层5吸收的光的波长范围为800nm-900nm，而光诱导复合滤光层4吸收的光的波长范围为300nm-800nm。本领域技术人员可以根据实际需求进行设置。

在本申请实施例中，光响应层5的材料的带隙小于光诱导复合滤光层4的材料的带隙，由此光诱导复合滤光层4吸收的光的波长范围小于光响应层5吸收的光的波长范围。

进一步地，光响应层5为有机给受体共混薄膜，其中，给体材料可以包括D18、PM6、PBQx-TF、PTB7-Th、PTQ10中的至少一种，受体材料可以包括COTIC-4F、IEICO-4F、BTP-ec9、L8-BO、IT-4F中的至少一种。在本申请实施例中，给体材料优选D18，受体材料优选BTP-ec9，同时给受体比例为1:1.2，总溶质浓度为15mg/mL。光响应层5的厚度为120nm。

进一步地，光诱导复合滤光层4的电子传导率大于光响应层5的电子传导率。

这样，在光诱导复合滤光层4将噪声信号光吸收并产生电荷载流子后，这些电荷载流子在通过光响应层5时，由于光响应层5材料的子传导率也较低，因此电荷载流子的运输速率会变得很慢，从而堆积在光响应层5靠近光诱导复合滤光层4的一侧，而这部分电荷载流子无法达到电极，也就减少了最终转化的电信号中的噪声信号。

阴极7设置在光响应层5背离光诱导复合滤光层4的一侧，在阴极7与光响应层5之间还可以设置一层阴极修饰层6，阴极修饰层6可以修饰阴极7与光响应层5的接触，以减小漏电流，降低暗电流。在本申请实施例中，阴极修饰层6的材料为BCP(2，9-二甲基-4，7-联苯-1，10-菲罗啉)，阴极7的材料为银，阴极7的厚度为100nm。

通过本申请实施例提供的光致诱导窄带光电探测器，在将目标信号光入射至光电探测器内时，光诱导复合滤光层4会将目标信号光中的噪声信号光吸收并产生电荷载流子，这部分电荷载流子会通过光响应层5流向阴极7，此时由于光诱导复合滤光层4的电子传导率大于光响应层5的电子传导率，因此这部分电荷载流子通过光响应层5的速率会大大降低；这样，目标信号光中的噪声信号光对于最终探测结果的影响便会降低，从而降低了窄带光电探测器使用时的噪声信号串扰，提高窄带光电探测器的信噪比。

此外，本申请实施例提供的窄带光电探测器具有普适性，适用于多种材料(包括但不限于钙钛矿材料、有机材料和无机材料等)的光电器件，极大地提高了窄带光电探测器设计和制备的适用性。

基于同一发明构思，本申请实施例公开一种光致诱导窄带光电探测器的使用方法，应用于本申请实施例前文所述的光致诱导窄带光电探测器，所述使用方法包括：

步骤101：提供目标信号光。

具体地，目标信号光中通常会包含有噪声信号光，噪声信号光可以是环境光或其他会对探测结果造成影响的光。

步骤102：将目标信号光从阳极2入射至光致诱导窄带光电探测器内。

具体地，在目标信号光由阳极2传输至光致诱导窄带光电探测器内的过程中，目标信号光会首先经过光诱导复合滤光层4，在这个过程中，光诱导复合滤光层4会将目标信号光中的噪声信号光吸收，并产生噪声信号光对应的电荷载流子；目标信号光不能被光诱导复合滤光层4吸收，会继续入射至光响应层5内，此时光响应层5会将这部分光吸收，产生对应的电荷载流子，并最终完成光信号到电信号的转化。

步骤103：利用光致诱导窄带光电探测器对目标信号光产生的电信号进行探测。

具体地，在光响应层5吸收目标信号光后产生的电荷载流子到达电极后，便会产生电信号，从而实现目标光信号的探测。

在上述使用方法中，由于光诱导复合滤光层4的电子传导率大于光响应层5的电子传导率，因此这部分电荷载流子通过光响应层5的速率会大大降低；这样，目标信号光中的噪声信号光对于最终探测结果的影响便会降低，从而降低了窄带光电探测器使用时的噪声信号串扰，提高窄带光电探测器的信噪比。

同时，在使用过程中，虽然光响应层5可以降低噪声信号光产生的电荷载流子的传输速率，但最终仍会有噪声信号光产生的电荷载流子通过光响应层5到达阴极7，导致对最终的探测结果造成影响，基于此，为了进一步提高光电探测器的信噪比，本申请实施例在利用光致诱导窄带光电探测器对目标信号光产生的电信号进行探测的步骤之前，所述使用方法还包括：

步骤104：提供诱导光，并将诱导光从阳极2入射至光致诱导窄带光电探测器内，利用光诱导复合滤光层4对诱导光进行吸收产生自由载流子。

具体地，诱导光的波长大小在光诱导复合滤光层4吸收的光的波长范围内，因此在诱导光入射至光诱导复合滤光层4内时，光诱导复合滤光层4会吸收诱导光并产生大量的自由载流子，这部分自由载流子会与光诱导复合滤光层4吸收噪声信号光后产生的电荷载流子复合，从而使得光诱导复合滤光层4吸收噪声信号光后产生的电荷载流子无法被电极收集，也就是说，噪声信号光无法被转换为电信号，进而使得光电探测器中的噪声干扰降低，提高了光电探测器的信噪比。

进一步地，诱导光可以包括单色光或多色光。

图3示出了光致诱导窄带光电探测器在无诱导光和有诱导光条件下的外量子效率曲线，在该实施方式中，诱导光为波长为520nm的绿光，诱导光的强度为35mW/cm

同时，诱导光对于光诱导复合滤光层4吸收噪声信号光后产生的电荷载流子的复合效果，是随着诱导光的强度提升的。在本申请实施例中，诱导光的强度为大于或等于0mW/cm

图4示出了在使用波长为520nm的不同强度(分别为0mW/cm

图5示出了在不同波长的诱导光(波长分别为460nm、520nm、620nm)照射时的光响应度曲线图。从图5可以看出，诱导光波长选择具有普遍性，即光诱导复合滤光层4吸收范围内的光都可以实现光诱窄化效果。

从以上实验数据可以得知，在施加诱导光照时，光诱导复合滤光层4中的光生载流子浓度显著增加，背景光信号的光生电荷复合增强，从而使环境光响应被抑制。此外，通过外加诱导光，可以实现高光谱抑制比的窄带光谱探测；探测范围与带宽可以通过调节前后层的结构材料进行调制。

在一种实施例中，可以将光响应层5的受体材料替换为L8-BO，以实现对窄带范围的进一步窄化，图6示出了受体材料采用L8-BO后光响应层5的透过率曲线图。

本申请实施例通过使光诱导复合滤光层4的电子传导率大于光响应层5的电子传导率，降低了窄带光电探测器使用时的噪声信号串扰，但是在光诱导复合滤光层4与光响应层5的电子传导率相差不大的情况，对于噪声信号的屏蔽效果会受到一定影响。

为此，在一种实施例中，可以将光诱导复合滤光层4设置为多层结构，即除光诱导复合滤光层4外，该多层结构还包括有电荷累计层，且电荷累计层设置在光诱导复合滤光层4和光响应层5之间。电荷累计层可以选用高LOMO(最低未占据分子轨道)能级的材料，例如D18、MoOx、PVK等等，在本申请实施例中，电荷累计层优选D18材料。利用电荷累计层可以进一步阻止噪声信号光在光诱导复合滤光层4中产生的电荷载流子移动到阴极。

参照图7所示，图7示出了在不同情况(无诱导光无电荷累计层、有诱导光无电荷累计和有诱导光和有电荷累计层)下，该窄带光电探测器对于目标信号光的响应度曲线图。其中，诱导光的波长为530nm，强度为35mW/cm

从图7可以看出，在无诱导光无电荷累计层的情况下，该窄带光电探测器输出的信号中存在较多的噪声信号，且对于目标信号光的转换效果也较差；在有诱导光无电荷累计层的情况下，该窄带光电探测器输出的信号中，噪声信号的占比有下降，并且窄带光电探测器对于目标信号光的转换效果得到明显提升；而在有诱导光有电荷累计层的情况下，该窄带光电探测器输出的信号中的噪声信号趋近于零，并且窄带光电探测器对于目标信号光的转换效果也得到了一定提升。

因此，包含电荷累计层的光诱导复合滤光层4在有诱导光的情况具有更好的噪声信号屏蔽效果，可以进一步提升提高窄带光电探测器的信噪比。

本申请提供一种光致诱导窄带光电探测器及其使用方法，通过设置基底、阳极、空穴传输层、光诱导复合滤光层、光响应层和阴极，其中，光诱导复合滤光层吸收的光的波长与光响应层吸收的光的波长不同，且光诱导复合滤光层的电子传导率大于光响应层的电子传导率；这样，在将目标信号光入射至光电探测器内时，光诱导复合滤光层会将目标信号光中的噪声信号光吸收并产生电荷载流子，这部分电荷载流子会通过光响应层流向阴极，此时由于光诱导复合滤光层的电子传导率大于光响应层的电子传导率，因此这部分电荷载流子通过光响应层的速率会大大降低；这样，目标信号光中的噪声信号光对于最终探测结果的影响便会降低，从而降低了窄带光电探测器使用时的噪声信号串扰，提高窄带光电探测器的信噪比。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。