基于垂直结构的有机光敏晶体管的制备及研究

【摘要】：有机光敏晶体管(organic phototransistors,OPTs)因其相对于光电二极管(photodiodes)具有更高的光增益和信噪比,在图像传感、光通信、生物医学传感等领域中具有广阔的应用前景。然而,有机光敏晶体管大都是基于平面结构有机场效应晶体管,其较长的沟道长度(几十微米)增大了光生载流子在传输过程的复合率和被薄膜内部缺陷及晶界的散射率,降低光生载流子的收集效率,从而导致器件具有较差的光电响应和光探测能力。因此,通过合理的器件结构设计来降低有机光敏晶体管的沟道长度来提升其光电性能,对于实现高探测性能的有机光探测器具有重大研究意义。本文研究内容层层递进,步步深入,首先通过结构设计,提出了基于垂直结构柔性有机光敏晶体管;然后通过调控光敏活性层形貌优化器件性能,并研究形貌与器件光电性能之间的内在联系;最后进一步研究了该垂直结构器件在柔性电子中的应用。主要研究如下:1、采用PDVT-8:PCBM聚合物体异质结作为沟道层及光敏活性层材料,首次制备了基于垂直结构的有机光敏晶体管,有效地将沟道长度缩短至纳米量级(150 nm)。测试器件在不同光照强度下的光电性能,并与相同光敏功能层体系的平面结构器件相比较,结果表明垂直结构光敏晶体管其光响应度、光灵敏度、探测率以及瞬态响应速度都较平面器件有着明显的提升,说明垂直的器件结构设计可以有效优化、提升有机光敏晶体管的光电性能。2、采用混合溶剂的方法对光敏活性层形貌进行调控,优化器件性能,并系统地研究活性层形貌对光敏晶体管的探测性能的影响。研究结果表明随着高沸点氯苯的添加,光敏活性层的结晶度和结晶尺寸增大,同时在30%的氯苯含量下获得最大结晶比界面积,可以有效地提升光生激子的分离效率以及载流子的传输效率,获得最优的光电性能;优于大部分国内、外文献报道的有机光敏晶体管。3、为了进一步探究该垂直结构的有机光敏晶体管在柔性电子中的应用潜力,本文采用聚酰亚胺薄膜作为柔性基板制备了高性能的柔性垂直结构有机光敏晶体管。分别测试了器件在1000次弯曲循环下的光电性能,结果表明该新型柔性器件结构有效地降低由机械弯曲引起的沟道内部裂纹和位错对载流子传输的影响,展现出卓越的机械稳定性。