[发明专利]基于以萘[1;2-c:5;6-c]二[1;2;5]噻二唑为核的聚合物的光探测器

说明书

本发明公开了基于以萘[1,2‑c:5,6‑c]二[1,2,5]噻二唑为核的聚合物的光探测器。器件包括光活性层、电子传输层、空穴传输层、阴极和阳极，其中，光活性层的材料为以萘[1,2‑c:5,6‑c]二[1,2,5]噻二唑为核的共轭聚合物与电子受体材料的混合物。本发明的基于以萘[1,2‑c:5,6‑c]二[1,2,5]噻二唑为核的共轭聚合物的高效光探测器中，采用具有宽吸收光谱且易于膜加工的以萘[1,2‑c:5,6‑c]二[1,2,5]噻二唑为核的共轭聚合物构建光活性层，有效降低了光探测器的暗电流，器件在紫外光区、可见光区以及近红外区均有效应，且具有高的光响应效率和比探测率。

技术领域

本发明属于有机光电材料技术领域，具体涉及基于以萘[1,2-c:5,6-c]二[1,2,5]噻二唑为核的共轭聚合物的高效光探测器。

背景技术

共轭聚合物由于其低成本、轻柔、可大面积卷对卷加工等优点在过去二十多年来一直受到学术界与产业界的广泛关注。近年来，基于共轭聚合物构建的有机发光二极管、聚合物太阳电池与有机场效应晶体管均取得长足的进展。利用共轭聚合物构建聚合物光探测器(polymer photodetectors)则具有高的量子转化效率、快速响应与响应光谱容易调控等优点，可应用图像感应、光通讯、生物医用传感以及环境监测等领域[Nat.Rev.Mater.2017,2,16100；Adv.Mater.2013,25,4267-4295]。近年来，聚合物光探测器获得很大进展。利用一种新型的窄带系共轭聚合物PDDTT与富勒烯衍生物PC₆₁BM共混实现光谱响应范围处于300-1150纳米的全色光探测器，在零偏压下其探测率高于10¹³Jones，其整体性能已经优于硅基的器件[Science 2009,325,1665-1667]。近期研究发现3,4-二氧乙烯基噻吩作为侧基引入共轭聚合物，可以大幅减小光探测器的暗电流，在–0.2V偏压下，器件的比探测率3.50×10¹³Jones[Adv.Mater.2015,27,6496-6503]。此外,通过调节活性层厚度及合理的器件结构设计，可实现聚合物光探测器在–1V偏压下的比探测率达到1.70×10¹³Jones[Small 2016,12,3374-3380]。发展高性能的光探测器，其关键因素就是减小器件的暗电流与提高器件外量子转化效率。采用分子结构优化、活性层厚膜加工、形貌调控与器件界面工程等策略均可以有效减小器件的暗电流。给体-受体型共轭聚合物由于可以通过简单的结构修饰可以实现聚合物性能的显著调控，在有机电子领域备受青睐。近年来，关于聚合物光探测器研究的共轭聚合物主要基于噻吩并[3,4-b]噻二唑、吡咯并[3,4-c]吡咯二酮、噻吩并[3,4-b]噻吩等吸电子单元。这些吸电子单元的共同特点是具有平面的π共轭结构与强的吸电子性能。

萘[1,2-c:5,6-c]二[1,2,5]噻二唑是通过两个苯并[c][1,2,5]噻二唑并环构成，其大的共轭平面结构与强的吸电子性能非常适合用于构建窄带系D-A型共轭聚合物。例如，一种以噻吩并[3,2-b]噻吩为给体单元与萘[1,2-c:5,6-c]二[1,2,5]噻二唑为受体单元的给体-受体型窄带系共轭聚合物与富勒烯衍生物[6,6]-苯基碳71-丁酸甲基酯(PC₇₁BM)构建本体异质结聚合物太阳电池，在厚度约为300纳米时，其光电转化效率均能超过10％，其原因在于此聚合物具有较高的迁移率，其分子堆积通过聚合物的π共轭平面与器件衬底平行的方式形成[Adv.Mater.2016,28,9811-9818]。

因此，考虑到以萘[1,2-c:5,6-c]二[1,2,5]噻二唑为核的共轭聚合物具有较宽的吸收光谱、与多种受体材料可形成良好的活性层形貌以及可厚膜加工等有点，可利用以萘[1,2-c:5,6-c]二[1,2,5]噻二唑为核的共轭聚合物作为给体材料，与电子受体材料，构建本体异质结光活性层，通过优化活性层的厚度实现光电探测器的暗电流有效降低，同时保持较高外量子转化效率，最终获得有较高的光响应率与比探测率的光探测器。

发明内容