一种适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，特别是有机光探测器领域，具体涉及一种适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器。

背景技术

近年来，随着智能化电子设备的不断普及，有机光探测器因为其潜在的应用价值、广泛的应用范围和不断提升的光电探测性能而得到了国内外的广泛关注。有机光探测器可以非常便捷、快速地检测和分析引起光辐射变化的原因，从而在许多应用中发挥了重要作用，在新一代便携式可穿戴智能电子器件、生物成像传感和环境监测检测等方面具有广阔应用前景。如今，大多数商业光探测器由无机半导体制成，例如硅或III-V族半导体(例如砷化镓、氮化硅和锑化铟)。由可溶液加工的有机材料制成的有机光电二极管具有重量轻、机械灵活性和低成本、大面积制造可及性等优点，有望成为传统无机探测器的替代品。然而，无机探测器由于其材料限制，如果要实线波长选择探测的功能需要外加滤光部件，阻碍了它们在智能手机、物联网、自动驾驶汽车和高级驾驶辅助系统的广泛应用。

近年来的性能取得了快速进展，在可见光谱范围内经过优化的有机光探测器性能指标都可以与低噪声无机探测器相媲美。为了实现选择性检测，有机探测领域已经探索了四种主要方法：使用窄带吸收的有机材料、采用微腔结构、利用电荷收集窄化效应和激子解离窄化效应，为特殊情景下的商业化提供了广阔的前景。与此同时，基于无机探测器的可见光通信领域也发展得如火如荼，研究大多集中在超快速响应的器件或数字收发机算法调制的研究，基于光通信系统的有机探测器还有待开发。

发明内容

为了解决现有技术的缺点和不足之处，发明了一种适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器。由于本体异质结对不同波段的光有不同程度的吸收，使得探测器在无需外加滤光片的情况下，能够对不同波段的入射光呈现选择性响应。基于光学建模的光电场分布拟合中，可以从控制激子产生效率的角度来理解器件的选择性波段响应。

本发明目的通过以下技术方案实现。

一种适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器，器件结构依次由基底衬底、第一电极、第一电荷阻挡层、电子给受体共混本体异质结层、第二电荷阻挡层和第二电极依次层叠而成，如图1所示。

进一步地，使用正置或者倒置器件结构制备器件，正置结构中第一电极为阳极，第一电荷阻挡层为电子阻挡层，电子给受体共混本体异质结层为有机电子给体材料和有机电子受体材料的共混材料，第二电荷阻挡层为空穴阻挡层，第二电极为阴极；倒置结构中第一电极为阴极，第一电荷阻挡层为空穴阻挡层，电子给受体共混本体异质结层为有机电子给体材料和有机电子受体材料的共混材料，第二电荷阻挡层为电子阻挡层，第二电极为阳极。

进一步地，所述基底衬底为玻璃、聚合物、陶瓷、金属中的任意一种或多种复合物，或具有类似功能的材料。优选地，所述基底为玻璃。

进一步地，第一电极是透明电极，包括无机透明电极、有机透明电极极中的一种以上。所述无机透明电极选自氧化铟锡(ITO)、金属纳米线、纳米银浆或铝掺杂的氧化锌(AZO)；所述有机透明电极选自高导3,4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、碳纳米管(CNT)或石墨烯，或具有类似功能的材料。优选地，所述第一电极材料为氧化铟锡(ITO)。

进一步地，第二电极是高反射率金属电极，所述金属电极选自锂、镁、钙、锶、钡、铝、铜、金、银或铟中的一种以上，或具有类似功能的材料。优选地，所述第二电极材料为银。

进一步地，第一电荷阻挡层选自3,4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、[9,9-二辛基芴-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴](PFN)、溴代-[9,9-二辛基芴-9,9-双(N,N-二甲基胺丙基)芴](PFN-Br)、聚{2,7-[9,9'-双(N,N-二甲基丙基-3-胺基)芴]-交替-5,5'-[2,6-(双-2-噻吩基)-N,N'-二异辛基-1,4,5,8-萘并酰亚胺]}(PNDI-F3N)、聚{2,7-[9,9'-双(N,N-二甲基丙基-3-乙基溴化铵)芴]-交替-5,5'-[2,6-(双-2-噻吩基)-N,N'-二异辛基-1,4,5,8-萘并酰亚胺]}(PNDI-F3N-Br)、聚乙氧基乙烯亚胺(PEIE)、溶胶凝胶氧化锌(sol-gel ZnOx)、纳米氧化锌(ZnOx np)、氧化钛(TiOx)，小分子电解质包括氨基功能化的苝二酰亚胺(PDIN)、脂肪胺功能化的苝二酰亚胺(PDINN)或氨基N-氧化物功能化的苝二酰亚胺(PDINO)，以及上述材料的改性物。优选地，所述第一电荷阻挡层材料为溶胶凝胶氧化锌(sol-gel ZnOx)。

进一步地，第二电荷阻挡层选自3,4-乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)或氧化钒(VOx)、氧化镍(NiOx)、氧化钼(MoOx)金属氧化物，以及上述材料改性物。优选地，所述第二电荷阻挡层材料为氧化钼(MoOx)。

进一步地，所述本体异质结为电子给体材料和电子受体材料共混形成，所述电子给体材料为有机共轭小分子，寡聚物或聚合物；所述电子受体材料为富勒烯及其衍生物，有机共轭小分子，寡聚物或聚合物。

进一步地，所述电子给体材料为聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)、聚[[4,8-双[(2-乙基己基)氧基]-苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩-2,6-二基][3-氟-2-[(2-乙基己基)羰基]噻吩[3,4-b]并噻吩(PTB7)、聚[4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩基)苯并[1,2-b；4,5-b']二噻吩基-alt-(4-(2-乙基己基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-)-2-羧酸酯基)(PTB7-Th)、聚([2,6'-4,8-双-((2-乙基己基)-噻吩-5-基)苯并[1,2-b；3,3-b]二噻吩]-alt-[1,3-双-(噻吩-5基)-5,7-双-(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮])(PBDB-T)、聚[(2,6-(4,Chemicalbook8-双(5-(2-乙基己基-3-氟)噻吩-2-基)-苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩])-ALT-(5,5-(1',3'-二-2-噻吩-5',7'-双(2-乙基己基)苯并[1',2'-C:4',5'-C']二噻吩-4,8-二酮)(PM6)中的任意一种以上。优选地，所述电子给体材料为PBDB-T。

进一步地，所述电子受体材料为富勒烯材料及其衍生物或非富勒烯材料及其衍生物，所述富勒烯材料及其衍生物[6,6]-苯基C71丁酸甲酯(PC

优选地，所述电子受体材料为IT-M。

其中，n≥10。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明中描述的适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器，无需外加光学滤光器或额外技术手段就可以实现对不同波段光的选择性探测，与现有的通过宽光谱响应光电探测器耦合光学滤光片实现窄光谱响应的技术相比，避免了额外光学界面的引入，提高信噪比。

(2)本发明中描述的适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器，采用电子给体材料和电子受体材料共混的本体异质结结构，与平面异质结相比，有利于提高光生载流子在共混界面处的解离率，从而提高光探测器件的光电转化效率和响应度。

(3)本发明中描述的适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器，通过对本体异质结半导体层的灵活调控，可调节有机光探测器的响应波长与响应度。同时，采用溶液加工与蒸镀的工艺制备器件，不存在晶格生长、气相沉积等工艺中晶格失配的问题，制备简单便捷，有望在可穿戴设备、移动传感器节点和医疗保健监控系统等领域得到应用。

(4)本发明中描述的适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器，器件结构简单，作为两端器件，第一电极与第二电极可直接与外电路连接，降低了像素间信号串扰的几率，有效降低信号失真，避免电路系统中出现的噪声耦合或寄生效应。

附图说明

图1为本发明实施例1-3中有机光探测器结构示意图。

图2为本发明描述的全波段/双波段/单波段有机光探测器所适用的光通信系统示意图。

图3为本发明所描述的实施例1中有机光探测器的外量子效率光谱曲线。

图4为本发明所描述的实施例2中有机光探测器的外量子效率光谱曲线。

图5为本发明所描述的实施例3中有机光探测器的外量子效率光谱曲线。

图6为本发明所描述的实施例1在400纳米、600纳米和760纳米光照下沿垂直器件方向的光场分布曲线。

图7为本发明所描述的实施例2在400纳米、600纳米和760纳米光照下沿垂直器件方向的光场分布曲线。

图8为本发明所描述的实施例3在400纳米、600纳米和760纳米光照下沿垂直器件方向的光场分布曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，以下实例将对本发明所提出的具体工艺过程进行说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器，其器件结构依次包括基底衬底1、第一电极2、第一电荷阻挡层3、本体异质结半导体层4、第二电荷阻挡层5、第二电极6。

所述基底衬底1为玻璃；所述第一电极2为氧化铟锡(ITO)；所述第一电荷阻挡层3为溶胶凝胶氧化锌，膜厚30纳米；所述本体异质结半导体层4由电子给体材料聚([2,6'-4,8-双-((2-乙基己基)-噻吩-5-基)苯并[1,2-b；3,3-b]二噻吩]-alt-[1,3-双-(噻吩-5基)-5,7-双-(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮])(PBDB-T)和电子受体材料3,9-亚(2-甲基苯-(3-(1,1-二氰胺乙烯)-5/6-甲基苯丙胺)-5,5,11,11-四基(4-六苯)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d'-s-吲哚诺[1,2-B:5,6-B']二硫苯(IT-M)共混而成；所述第二电荷阻挡层5为氧化钼(MoOx)，膜厚10纳米；所述第二电极为银，膜厚100纳米。

上述适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器的制备方法包括以下步骤：

步骤1：取若干同批号ITO玻璃衬底，其厚度约为130纳米，方块电阻约为20欧姆/方块，将基底衬底清洗并干燥。具体过程为，将每片ITO基底蘸取洗洁精水后磨搓2min后用去离子水冲洗干净，然后将ITO依次浸入丙酮、去离子水、异丙醇中进行15min超声处理，最后放入75摄氏度烘箱中干燥备用。

步骤2：将1克乙酸锌溶解于10毫升乙二醇单甲醚中，并加入275毫升乙醇胺，置于60摄氏度加热台上搅拌过夜得到氧化锌前驱体溶液。

步骤3：用匀胶机将前驱体溶液以每分钟2600转的转速旋涂在ITO基底上，然后将基底置于200摄氏度加热台上加热1小时得到约30纳米厚的ZnO薄膜。因前驱体需与空气中的氧气进行反应形成氧化锌，故该步骤在通风橱中进行操作。

步骤4：将电子给体材料聚([2,6'-4,8-双-((2-乙基己基)-噻吩-5-基)苯并[1,2-b；3,3-b]二噻吩]-alt-[1,3-双-(噻吩-5基)-5,7-双-(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮])(PBDB-T)与电子受体材料3,9-亚(2-甲基苯-(3-(1,1-二氰胺乙烯)-5/6-甲基苯丙胺)-5,5,11,11-四基(4-六苯)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d'-s-吲哚诺[1,2-B:5,6-B']二硫苯(IT-M)按1:1的质量比混合，并溶解于氯苯(CB)中，总浓度为每毫升40毫克，60摄氏度搅拌2小时备用。

步骤5：用匀胶机将电子给体材料和电子受体材料的共混溶液旋涂在ITO基底上，通过改变电子给体材料和电子受体材料共混溶液的浓度和旋涂转速，分别得到厚度约为300纳米的活性层薄膜，不经过任何退火处理工艺。活性层的旋涂过程在O

步骤6：刮出ITO电极后套上面积为0.16cm

步骤7：制备完成后对器件进行包封处理，将环氧树脂涂在器件的金属电极一侧，用盖玻片完全盖住ITO与金属面积交叉的部分，放入紫外固化炉中5分钟对环氧树脂进行固化。

步骤8：上述步骤所制成的有机光探测器作为光通信系统中的探测器件。通过空间传输，光信号被光探测模块探测后进一步转换为模拟电信号，进而经过信号解调模块将电信号还原为所传输的信息。

图3为实施例1中制备的有机光探测器在-1V的外加偏压下的外量子效率性能测试曲线，可以看到，在可见光波段到近红外波段，器件的外量子响应趋于平稳，即为对全波段的光都有较好的响应。

图6为基于光学矩阵对实施例1中制备的有机光探测器进行的光电场分布计算。可以看到，400纳米、600纳米和760纳米波长的光均可以贯穿整个实施例1中制备的有机光探测器。

实施例2

重复实施例1，将本体异质结半导体层4的厚度增加为800纳米。具体如下，如图1所示，一种适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器，其器件结构依次包括基底衬底1、第一电极2、第一电荷阻挡层3、本体异质结半导体层4、第二电荷阻挡层5、第二电极6。

所述基底衬底1为玻璃；所述第一电极2为氧化铟锡(ITO)；所述第一电荷阻挡层3为溶胶凝胶氧化锌，膜厚30纳米；所述本体异质结半导体层4有电子给体材料聚([2,6'-4,8-双-((2-乙基己基)-噻吩-5-基)苯并[1,2-b；3,3-b]二噻吩]-alt-[1,3-双-(噻吩-5基)-5,7-双-(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮])(PBDB-T)和电子受体材料3,9-亚(2-甲基苯-(3-(1,1-二氰胺乙烯)-5/6-甲基苯丙胺)-5,5,11,11-四基(4-六苯)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d'-s-吲哚诺[1,2-B:5,6-B']二硫苯(IT-M)共混而成；所述第二电荷阻挡层5为氧化钼(MoOx)，膜厚10纳米；所述第二电极为银，膜厚100纳米。

上述适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器的制备方法包括以下步骤：

步骤1：取若干同批号ITO玻璃衬底，其厚度约为130纳米，方块电阻约为20欧姆/方块，将基底衬底清洗并干燥。具体过程为，将每片ITO基底蘸取洗洁精水后磨搓2min后用去离子水冲洗干净，然后将ITO依次浸入丙酮、去离子水、异丙醇中进行15min超声处理，最后放入75摄氏度烘箱中干燥备用。

步骤2：将1克乙酸锌溶解于10毫升乙二醇单甲醚中，并加入275毫升乙醇胺，置于60摄氏度加热台上搅拌过夜得到氧化锌前驱体溶液。

步骤3：用匀胶机将前驱体溶液以每分钟2600转的转速旋涂在ITO基底上，然后将基底置于200摄氏度加热台上加热1小时得到约30纳米厚的ZnO薄膜。因前驱体需与空气中的氧气进行反应形成氧化锌，故该步骤在通风橱中进行操作。

步骤4：将电子给体材料聚([2,6'-4,8-双-((2-乙基己基)-噻吩-5-基)苯并[1,2-b；3,3-b]二噻吩]-alt-[1,3-双-(噻吩-5基)-5,7-双-(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮])(PBDB-T)与电子受体材料3,9-亚(2-甲基苯-(3-(1,1-二氰胺乙烯)-5/6-甲基苯丙胺)-5,5,11,11-四基(4-六苯)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d'-s-吲哚诺[1,2-B:5,6-B']二硫苯(IT-M)按1:1的质量比混合，并溶解于氯苯(CB)中，总浓度为每毫升60毫克，60摄氏度搅拌2小时备用。

步骤5：用匀胶机将电子给体材料和电子受体材料的共混溶液旋涂在ITO基底上，通过改变电子给体材料和电子受体材料共混溶液的浓度和旋涂转速，分别得到厚度约为300纳米的活性层薄膜，不经过任何退火处理工艺。活性层的旋涂过程在O

步骤6：刮出ITO电极后套上面积为0.16cm

步骤7：制备完成后对器件进行包封处理，将环氧树脂涂在器件的金属电极一侧，用盖玻片完全盖住ITO与金属面积交叉的部分，放入紫外固化炉中5分钟对环氧树脂进行固化。

图4为实施例2中制备的有机光探测器在-1V的外加偏压下的外量子效率性能测试曲线，可以看到，在入射光波长在500纳米和760纳米附近时，器件的外量子响应较高，对其余波段的入射光的响应都明显处于较低水平。

图7为基于光学矩阵对实施例2中制备的有机光探测器进行的光电场分布计算。可以看到，400纳米的入射光其光场分布先强后弱，600纳米的入射光在器件500纳米厚的位置被完全消光，760纳米的入射光可以贯穿整个实施例2中制备的有机光探测器。

步骤8：上述步骤所制成的有机光探测器作为光通信系统中的探测器件。通过空间传输，光信号被光探测模块探测后进一步转换为模拟电信号，进而经过信号解调模块将电信号还原为所传输的信息。

实施例3

重复实施例2，将本体异质结半导体层4的厚度增加为1500纳米。具体如下，如图1所示，一种适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器，其器件结构依次包括基底衬底1、第一电极2、第一电荷阻挡层3、本体异质结半导体层4、第二电荷阻挡层5、第二电极6。

所述基底衬底1为玻璃；所述第一电极2为氧化铟锡(ITO)；所述第一电荷阻挡层3为溶胶凝胶氧化锌，膜厚30纳米；所述本体异质结半导体层4有电子给体材料聚([2,6'-4,8-双-((2-乙基己基)-噻吩-5-基)苯并[1,2-b；3,3-b]二噻吩]-alt-[1,3-双-(噻吩-5基)-5,7-双-(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮])(PBDB-T)和电子受体材料3,9-亚(2-甲基苯-(3-(1,1-二氰胺乙烯)-5/6-甲基苯丙胺)-5,5,11,11-四基(4-六苯)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d'-s-吲哚诺[1,2-B:5,6-B']二硫苯(IT-M)共混而成；所述第二电荷阻挡层5为氧化钼(MoOx)，膜厚10纳米；所述第二电极为银，膜厚100纳米。

上述适用于光通信系统的全波段/双波段/单波段有机光探测器的制备方法包括以下步骤：

步骤1：取若干同批号ITO玻璃衬底，其厚度约为130纳米，方块电阻约为20欧姆/方块，将基底衬底清洗并干燥。具体过程为，将每片ITO基底蘸取洗洁精水后磨搓2min后用去离子水冲洗干净，然后将ITO依次浸入丙酮、去离子水、异丙醇中进行15min超声处理，最后放入75摄氏度烘箱中干燥备用。

步骤2：将1克乙酸锌溶解于10毫升乙二醇单甲醚中，并加入275毫升乙醇胺，置于60摄氏度加热台上搅拌过夜得到氧化锌前驱体溶液。

步骤3：用匀胶机将前驱体溶液以每分钟2600转的转速旋涂在ITO基底上，然后将基底置于200摄氏度加热台上加热1小时得到约30纳米厚的ZnO薄膜。因前驱体需与空气中的氧气进行反应形成氧化锌，故该步骤在通风橱中进行操作。

步骤4：将电子给体材料聚([2,6'-4,8-双-((2-乙基己基)-噻吩-5-基)苯并[1,2-b；3,3-b]二噻吩]-alt-[1,3-双-(噻吩-5基)-5,7-双-(2-乙基己基)苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮])(PBDB-T)与电子受体材料3,9-亚(2-甲基苯-(3-(1,1-二氰胺乙烯)-5/6-甲基苯丙胺)-5,5,11,11-四基(4-六苯)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d'-s-吲哚诺[1,2-B:5,6-B']二硫苯(IT-M)按1:1的质量比混合，并溶解于氯苯(CB)中，总浓度为每毫升80毫克，60摄氏度搅拌2小时备用。

步骤5：用匀胶机将电子给体材料和电子受体材料的共混溶液旋涂在ITO基底上，通过改变电子给体材料和电子受体材料共混溶液的浓度和旋涂转速，分别得到厚度约为300纳米的活性层薄膜，不经过任何退火处理工艺。活性层的旋涂过程在O

步骤6：刮出ITO电极后套上面积为0.16cm

步骤7：制备完成后对器件进行包封处理，将环氧树脂涂在器件的金属电极一侧，用盖玻片完全盖住ITO与金属面积交叉的部分，放入紫外固化炉中5分钟对环氧树脂进行固化。

步骤8：上述步骤所制成的有机光探测器作为光通信系统中的探测器件。通过空间传输，光信号被光探测模块探测后进一步转换为模拟电信号，进而经过信号解调模块将电信号还原为所传输的信息。

图5为实施例3中制备的有机光探测器在-1V的外加偏压下的外量子效率性能测试曲线，可以看到，在入射光波长在760纳米附近时，器件的外量子效率较高，对其余波段的入射光的均无响应。

图8为基于光学矩阵对实施例3中制备的有机光探测器进行的光电场分布计算。可以看到，400纳米和600纳米的入射光分别在器件1000纳米和500纳米厚的位置被完全消光，760纳米的入射光可以贯穿整个实施例3中制备的有机光探测器。所述各步骤的制备方式包括旋涂、刮涂、喷涂、丝网印刷、喷墨打印、水转印、电化学沉积、真空蒸镀成膜、电子束蒸发或磁控溅射中的任意一种或多种的组合使用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。