以掺杂薄膜为界面层的有机光探测器的研究

Solution-processable organic and polymer photodetectors show great potential in the applications of imaging, remote control, communication and others due to their low cost and ease of fabrication. Plenty of organic and polymer semiconductors have been synthesized and developed in the past years. Their absorption varies from ultraviolet (UV) to infrared (IR) region. They are good candidates for the photodetector application to detect different and broad spectral regions. To achieve high-performance organic and polymer photodetectors, the current main challenge is how to easily obtain low dark current density under negative bias and high external quantum efficiency. To tackle this challenge, this project proposes a new type of interfacial layer (doped polymer layer) for the organic and polymer photodetectors. First, the applicant will study how the work function and conductivity of the doped layers change by varying the polymer hosts and dopants, tuning the doping ratio, to achieve doped layers with tunable and continuous work function values. Second, the doped layer will be prepared by transfer lamination as the interfacial layer in the photodetectors to inhibit the dark current and also collect the charge carriers from the active layer. Based on this novel method, with different photoactive layers, a series of high-performance organic and polymer photodetectors having low dark current and high performance will be developed to detect from UV to IR regions.

基于可溶液制备的有机聚合物半导体的光电探测器具有制备工艺简单、成本低的优点，在成像、遥感、通信等领域具有广泛的应用前景。并且，有机聚合物半导体种类多，吸收光谱分布宽（从紫外到红外），可构筑多波段探测的光电探测器。目前，实现高效有机聚合物光电探测器的主要难题是：尚缺少简单、有效的方法及材料可有效抑制器件在反向电压下的暗电流，同时又可使器件具有高的外量子效率。针对这一问题，本申请拟开展以下工作：（1）使用掺杂剂对聚合物主体材料进行掺杂构筑新型界面层，通过使用不同的掺杂剂及主体材料，调节掺杂比例，研究掺杂薄膜的功函数及电导率的变化规律，实现具有连续、可调功函数的界面层；（2）通过转移层压法制备掺杂薄膜用作光电探测器的界面层，以有效抑制器件的暗电流并同时使器件具有高的外量子效率。基于这一方法，结合具有不同吸收波段的光活性层，构筑紫外、可见、红外波段响应的系列低暗电流、高性能的光电探测器。

有机聚合物光电探测器具有质量轻、易于制备、光谱可调等优点，可望在成像、遥感、通信等领域有广泛应用。在青年科学基金项目《以掺杂薄膜为界面层的有机光电探测器的研究》的支持下，我们按照项目计划书中既定的研究计划和研究目标执行，围绕新型有机半导体掺杂剂的开发、有机光电探测器功能层（电极、界面层和光活性层）的转印制备、探测器的器件结构与性能方面开展研究工作。取得的主要结果包括：（1）开发出三种新型n型掺杂剂：1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯（DBU）、2,6-二甲氧基吡啶（2,6-Py）、十八烷基二甲基苄基氯化铵（SDBAC），这些掺杂剂可对有机半导体材料进行有效掺杂，掺杂后电导率可提高3个数量级，实现功函数在4.4-4.9 eV范围内可调；（2）通过优化转印介质、目标表面的表面能以及转印介质-转印薄膜和转印薄膜-目标表面之间的相互作用，实现了高分子电极、界面层以及光活性层的转印制备，在此基础上构建了具有新型器件结构的有机光电探测器；（3）实现了可探测紫外、可见、近红外波段（300-1000 nm）的系列有机光电探测器，其比探测率达1.2 × 10^13 Jones。在研究工作的后期，我们进一步将掺杂研究延伸到导电高分子的改性和钙钛矿薄膜中。发现将聚氧化乙烯和聚乙烯亚胺引入到导电高分子中，可提高导电高分子薄膜的模量和离子电导率；在锑基非铅钙钛矿薄膜中，将氯甲胺掺杂进前驱体中，有利于拓展吸收波长，减少薄膜缺陷。在本项目支持下，以华中科技大学为第一单位，本人为通讯作者在Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, Advanced Energy Materials, Journal of the American Chemical Society等期刊共发表论文14篇，申请专利2项（其中1项已授权）。在国内国际会议上作相关学术报告6次。