基于近红外聚合物的非富勒烯有机光电探测器研究

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近红外光比可见光在人体皮肤组织中具有更深穿透力和更低损耗。因此,对近红外光检测的光电探测器更能满足未来可穿戴电子产品的应用需求。相比于传统基于铟镓砷等无机光敏材料的近红外无机光电探测器,近红外有机光电探测器(NIR-OPD)具有可溶液处理、大面积制备以及自身柔性等特点,与未来可穿戴电子技术更加兼容。因此,急需研制具有高灵敏、高响应、高稳定等特性的NIR-OPD。光敏材料是器件的核心,目前大多数NIR-OPD均基于富勒烯受体光敏体系,存在合成难度大、对可见光吸收能力低、稳定性较差、容易聚集等诸多问题。因此,发展基于非富勒烯体系的NIR-OPD成为该领域的研究热点。实现近红外探测的关键是设计制备窄带隙给体或受体光敏材料,并在此基础上研制NIR-OPD。基于此,本论文的具体研究内容如下:首先,利用[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉(TQ)衍生物单元的强吸电子特性,设计和制备了PTQ1和PTQ2两种近红外给体D-A聚合物。材料表征测试结果表明:PTQ1和PTQ2拥有超过340℃的热分解温度,光学带隙分别为1.01 e V和0.98e V,可实现超过1200 nm的吸收光谱,具有良好的电荷传输能力。基于能级匹配原则,分别将PTQ1和PTQ2与非富勒烯受体Y6制备混合本体异质结,研制二极管型NIR-OPD器件。器件测试结果表明:基于PTQ1、PTQ2与Y6的NIR-OPD,均可实现300~1300 nm的光谱响应。其中,基于PTQ1的OPD具有更好的性能,0V偏压下,890 nm处的比探测率最大,达到4.0×1012Jones,1100 nm处的比探测率达到1.25×1012Jones。其次,利用TQ单元的强吸电子特性,设计和制备了一种近红外受体D-A聚合物PTQ3。材料表征测试结果表明:PTQ3具有超过400℃的热分解温度,光学带隙为0.98 e V,可实现吸收光谱超过1200 nm。基于能级匹配原则,将PTQ3与P3HT给体材料制备混合本体异质结,研制二极管型NIR-OPD器件。器件测试结果表明:基于P3HT和PTQ3的NIR-OPD的光谱响应范围为300~1300 nm,在0 V偏压下拥有低至10-10A/cm~2量级的暗电流密度,最大比探测率为7.5×1011Jones。该器件在近红外区域的EQE较低(小于1%),性能仍有较大提升空间,但本研究为基于近红外受体聚合物OPD的探索开辟了一种思路。
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