窄带隙共轭聚合物的合成及其宽光谱光电探测器的性能研究

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聚合物光电探测器具有低成本、质轻、大面积、柔性和材料选择性广泛等特点,有望应用于光通讯、成像、夜视、遥控、环境监测等领域,因而具有非常广阔的应用前景。其中,宽光谱响应的聚合物探测器能够以一个器件实现多个波段的光探测,整合了多个无机光电探测器的响应波段,为有机光电探测器的发展提供了新方向。目前,宽光谱响应的聚合物光电探测器的性能还达不到实际应用的要求,其发展主要受限于宽光谱响应的共轭聚合物的开发,同时还缺乏一些对材料性质和器件性能关系的研究,无法为该领域的发展提供足够的动力。基于此,本论文从材料的设计出发,合成了多个系列的给-受体型窄带隙共轭聚合物,通过研究聚合物分子结构的变化对材料性质和器件性能影响,认识三者之间的关系,希望对该方向的进一步研究提高一些参考。主要工作内容和结果如下:  (1)为研究聚合物中给受体单元的比例对聚合物光电探测器性能的影响,吡咯并吡咯二酮(DPP)和噻吩(T)分别为受体和给体单元,合成了一系列给受体单元比例不同的窄带隙共轭聚合物。随着受体单元(DPP)含量的增加,聚合物的吸收光谱逐渐红移,同时LUMO能级逐渐降低,由于能级匹配性变差导致器件的光响应度逐渐变小,同时得益于形貌的改善,器件的暗电流得到抑制。其中,由给受体比例为2.7∶1的P2制备的器件表现出较好的响应度和最低的暗电流,在330-920nm的波长范围内归一化探测率都在1012Jones以上,实现了宽光谱高探测率聚合物光电探测器的制备。该结果表明调节聚合物分子结构中给受体单元的比例是一种改善器件性能的有效途径。  (2)在共轭聚合物的分子侧链中引入芳香基团,变化芳香基团上取代基的类型,合成了一系列不同侧链的窄带隙共轭聚合物。实验结果表明,芳香侧链的引入能够有效促进聚合物分子链间的π-π堆积,减小其堆积距离,有利于电荷传输。侧链的微小改变显著影响了聚合物的分子堆积、结晶性、共混薄膜的形貌以及器件的性能。因此,侧链为苯环取代的聚合物PDPPDTP-P制备的器件在350-960nm波长范围的归一化探测率都在1013Jones以上,是目前报道的性能最好的紫外-可见-近红外宽光谱聚合物光电探测器之一。  (3)调控受体单元NDI和DPP以及给体单元T三种构筑单元的比例,合成了一系列n-型聚合物,并将其作为全聚合物光电探测器的非富勒烯受体材料与给体聚合物(PDTP-DPP)共混作为活性层,制备了相应的光电探测器,研究了受体材料结构与其光物理、分子堆积以及器件性能之间的关系。研究发现,随着DPP-T链段的增加,聚合物的吸收逐渐红移、带隙变窄、活性层形貌改善以及暗电流降低。其中,基于PNDI-DPP10/PDTP-DPP体系的光探测器在-0.1V偏压下于340-960nm的光谱响应范围内归一化探测率都维持在1012Jones以上,达到了聚合物/PCBM体系光电探测器的水平。实验证明,采用引入第三单体进行共聚的方法,能够调节电子受体聚合物的吸收波长、能级结构、分子堆积和薄膜形貌,从而改善聚合物的光电探测器的性能。  (4)以NDI为受体单元分别与给体单元2T和T聚合,得到均聚物PolyA和PolyA;通过调节2T和T投料比例,得到共聚物PolyAA;同时,按照相应的比例将PolyA和PolyA共混,得到共混物PolyA/A。分别采用均聚物、共聚物和共混物作为受体材料与给体材料PolyD共混作为活性层制备了全聚合物光探测器,研究了受体材料体系组分的不同,对分子堆积和活性层薄膜形貌等性质的影响,而这性质将会影响探测器的光电流和暗电流等主要参数。与受体均聚物和受体共混物相比,以受体共聚物制备的光电探测器表现出高的光电流和低的暗电流,其主要得益于光滑的活性层薄膜形貌。其中,基于受体共聚物PolyAA50与给体聚合物PolyD的全聚合物光探测器表现出最高的归一化探测率,在320-980nm的光谱响应范围内D*都在1012Jones以上。
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