基于BODIPY染料的近红外有机光电探测器的研究

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光电探测器在光通信、全彩成像、机器视觉、医疗电子设备以及昼夜监视等许多领域都有着重要应用。目前占主导地位的是基于无机半导体的光电探测器,虽然具有性能上的优势,但也存在着诸如工艺复杂、成本高昂和缺乏柔性等不足之处,在需要窄带响应的系统中则需要增加滤光片。而有机光电探测器则因其具有易调节的响应光谱范围、柔性和低成本的制作工艺等优势逐渐引起人们的关注。然而,大多数有机光电探测器都只对可见光有响应,近红外光电探测器还有待进一步研究。虽然有些对近红外光响应的光电导型(光电倍增型)有机光电探测器具有较高的响应度和外量子效率,但较长的响应时间导致其只能应用于对响应速度要求不高的场合,在实时或高速响应的应用场景中则显得无能为力。因此,无论对宽带还是窄带近红外光电探测器,都需要进一步研究,使其具有更好的探测能力和更短的响应时间,以满足科学研究与实际应用的需求。针对宽带和窄带近红外有机光电探测器研究中存在的问题,我们分别提出了相应的解决方案。本论文的研究内容主要包括以下两个部分:1、基于BODIPY染料的紫外-可见-近红外宽带有机光电探测器我们利用BODIPY衍生物BODIPY-F作为给体,PC61BM作为受体,形成本体异质结,制备了宽带有机光电探测器,响应光谱覆盖紫外-可见-近红外范围(300-900 nm)。通过调节给受体比例优化器件性能,在BODIPY-F:PC61BM为0.2:1(质量比)时达到最佳,在-1 V偏压下的响应度为40 mA/W(840 nm),响应时间为4μs,截止频率为90 KHz,比探测率超过1011 cm?Hz1/?W-1。该器件对90 KHz以下的光信号能够有效响应而不发生明显衰减。在活性层与阴极之间蒸镀一层10 nm的C60后,器件的响应时间缩短到500 ns,截止频率提高到700KHz,显著优化了光电探测器的频率响应特性。最后,将该器件尝试应用于光通信电路中,用该探测器接收音频信号调制的激光信号,完成了近红外光通信和可见光通信的实验,展示了该器件的实用价值。2、基于BODIPY染料的窄带有机光电探测器为了实现对近红外光有特定响应的窄带有机光电探测器,我们利用一系列在近红外区有窄带光谱吸收的含不同卤素原子的BODIPY小分子作为第三组分,掺入到聚合物给体(P3HT)与富勒烯衍生物受体(PC61BM)组成的混合物中,形成三元混合物,以此作为活性层材料,制备成高性能的三元体系有机光电探测器。进一步地,通过测试器件的各项性能参数,从中筛选出对近红外光响应较好的器件,然后以P3HT:PC61BM(1:1)混合物旋涂在透明衬底上形成的薄膜作为滤光片,制备出了只对750 nm附近的近红外光响应的窄带有机光电探测器,半峰宽约为86 nm,在-1 V偏压下的外量子效率超过10%,比探测率超过1011 cm?Hz1/2?W-1,具有良好的窄带响应能力和抗干扰能力。
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