[发明专利]一种有机聚合物光敏晶体管及其制备方法

说明书

本发明属于光敏晶体管的技术领域，公开了一种有机聚合物光敏晶体管及其制备方法。所述有机聚合物光敏晶体管自下至上依次包括衬底、金属纳米粒子层、有机绝缘层、有机光敏层和金属电极；所述有机光敏层包括有机光敏材料和电子受体材料；所述有机光敏材料为FBT‑Th4(1,4)、PBDB‑T或PDPPBTT；所述电子受体材料为PC₆₁BM或ItIc；电子受体材料的用量≥0。本发明还公开了有机聚合物光敏晶体的制备方法。本发明的光敏晶体管具有暗电流低、载流子浓度集中、光电流大的特点，实现了高探测率并降低了载流子寿命，提升了器件的响应速率。本发明的光敏晶体管为目前探测率最高的有机光探测器。

技术领域

本发明属于光敏晶体管的技术领域，具体涉及一种有机聚合物光敏晶体管及其制备方法。

背景技术

光探测器在光通信、图像传感和遥控装置等领域有广泛的应用。有机光电晶体管探测器由于其在单个器件中结合电信号放大和光检测的独特特征而引起了极大的关注。外量子效率、响应度、探测比率和响应速度及暗电流是光探测器的重要参数。要获得快速的响应速度，需要有足够低的载流子寿命和快速的激子分离。而要获得大的探测比率，除了要具有大的光电流之外，还需要具有足够低的暗电流。因此，降低暗电流是提升探测器性能的重要指标。

传统的光探测器通常由单晶硅、碳化硅或氮化镓p-n结光电二极管制成。然而，这种无机光探测器由于其高成本和低响应度而不适用于某些应用。有机光探测器，同时具有有机聚合物的能隙调控空间大、大频谱响应范围、成本低、柔性、质量轻、易溶液加工和晶体管的栅控模式、易集成电路等优点，使其成为光探测器材料的研究热点，展现出了极大的发展潜力。目前有机光探测器分为垂直型结构和水平型结构两种。垂直型结构响应速率快，但由于暗电流大而具有较小的探测率。水平结构又分为水平二极管结构和光敏晶体管结构。水平二极管探测器中，载流子沟道长，暗电流较低，具有较大的探测率，但由于长沟道导致载流子寿命大，器件的响应速率慢，且电流在整个活性层中流动，载流子浓度低，导致较低的探测灵敏度和较高的噪声。与水平二极管相比，由于场效应晶体管的独特工作机制，光敏晶体管可以表现出更高的灵敏度和更低的噪声，此外，光敏晶体管将光检测和信号放大组合在一起，可以轻松集成到各种光电子器件/电路中。但是，由于光敏晶体管结构中，载流子沟道长且聚合物载流子迁移率相对较低，阻碍了光生载流子收集并限制了EQE、线性动态范围和时间响应等性能指标，而且会导致高的响应时间和噪声电流，因此目前报道的光敏晶体管结构中，光敏材料主要为金属卤化物钙钛矿以、无机纳米晶体和量子点等，不能实现能隙调控空间大、吸收波长范围大、成本低、易于溶液加工和柔性等特点。同时聚合物光敏晶体管的研究较少。

发明内容

针对现有有机光敏晶体管中载流子沟道较长和聚合物材料迁移率较低导致的响应速率小、光电流小和噪声电流大等问题，本发明提供了一种有机聚合物光敏晶体管及其制备方法。本发明的光敏晶体管具有暗电流低、载流子浓度集中、光电流大的特点，实现了高探测率并降低了载流子寿命，提升了器件的响应速率。

本发明的光敏晶体管采用高迁移率的聚合物、光敏晶体管结构以及金属纳米粒子捕获电荷后形成的内建场，提升了器件的光电流，从而提升器件的外量子效率等探测性能参数；并利用本体异质结和金属纳米粒子的电荷捕获作用降低了器件的暗电流，进一步提升光敏晶体管的探测率，获得了目前有机光探测器的最高探测率(1.23×10¹⁸Jones)。同时，光敏层中的本体异质结，利于激子的分离和传输；光照时纳米粒子的空穴捕获作用，以及去除光照后捕获空穴的释放作用，促进了激子的分离和去光后残留电子的中和，有效的提升了器件的响应速率。而且本发明的含金属纳米粒子的光敏晶体管中光敏材料为共轭聚合物，具有能隙调控空间大、吸收波长范围大、成本低、易于溶液加工和柔性等优点，展现出了极大的发展潜力。