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金纳米晶修饰增强的有机电子器件光电特性研究

罗消  
【摘要】:近年来,基于金属纳米晶修饰的有机光电子器件引起了十分广泛的研究兴趣,这是由于有机电子器件兼具轻薄、低价、柔性和透明等优点;同时金属纳米晶的光激发作用可产生表面等离激元,从而将光子能量陷阱/束缚在其表面,显著增强了光和物质(即有机半导体)的相互作用,使得在微纳尺寸上对光子操控成为可能。这类光电器件在次波光学电路,光子捕获转换、陷阱、发射,光学传感和光谱学等领域已显现广大的应用前景。目前,大量的文献报道证实了金属等离激元共振提升的有机发光二极管(OLED)和太阳能电池(OSC)。值得注意的是,有机半导体及其光探测领域依旧存在巨大的挑战,如场效应器件迁移率较低,光探测器件在近红外方向的长波探测、超灵敏宽带光探测以及弱光探测报道较少等。研究发现,金属纳米晶对有机半导体的掺杂效应可用于提高场效应器件迁移率;而等离激元效应在纳米尺度范围内操控光子的可能性,使其可用于研制具有极高光学探测性和多功能性的新型有机纳米器件。本文立足于大量的文献调研和理论基础,专注于解决上述问题,主要创新工作归纳为以下三部分:在第一部分设计中,利用简易快速的真空热淀积法优化制备了尺寸可控的金纳米晶(AuNCs),并将其引入到有机PN异质结(NPB/C60)界面,基于AuNCs内部光电发射机制,首次论证了近红外方向的有机亚带隙光探测二极管。器件光响应度高达205 mA/W,且量子转化效率达39%。以上参数值远高于目前报道的基于等离激元金属内部光发射的亚带隙光探测器件。研究表明,出色的器件性能主要归因于AuNCs局域表面等离激元共振(LSPR)诱导的近场增强、直接热载流子注入和转移跃迁。进一步的表面增强拉曼光谱(SERS)测试、LSPR近场仿真以及器件操作能级机制,很好地解释了性能增强的物理过程。在第二部分设计中,创新性地将光吸收优化的AuNCs用于点缀修饰光电性能优异的多孔有机铅卤化物钙钛矿(MAPbI3-xClx),从而在紫外-可见-近红外宽光谱范围内设计制备了金属-半导体-金属(MSM)结构的平面光电导器件。结果表明,AuNCs修饰的多孔钙钛矿光电导具有超低的噪声水平(~20.0 pWHz-1/2),可实现显著提升的紫外-可见光响应,同时将器件探测光谱延伸到亚带隙的近红外区。与目前的技术现状相比,该光电导实现了极低的弱光探测(~5.7 pW),超快的时间响应(~600 ns)和超高的光敏性(光暗电流比~105)。此外,该器件也展示了良好的时间稳定性、均一性和柔韧性。最后通过光电导能级模型、理论仿真和光致发光谱分析,揭示了器件潜在的光物理机制。在第三部分设计中,将真空热淀积的AuNCs掺杂有机半导体(酞菁铜,CuPc)活性层,用于制备有机场效应晶体管(OFET),系统地研究AuNCs修饰位置有关的器件电、光特性。研究结果表明,AuNCs表面修饰的OFET可获得显著提升的器件特性;进一步优化CuPc薄膜厚度,最终可实现~0.013 cm2V-1s-1的场效应迁移率,该数值高于目前报道的大多CuPc-OFETs。基于器件能级模型和半定量的理论计算,OFET的电学性能提升可归因于AuNCs表面修饰产生辅助沟道效应,促进了器件电荷传输。此外,OFET的光探测性能表明,AuNCs表面修饰可显著提高其弱光探测性(可探测0.01μWcm-2红光)和光响应度(高达23359 A/W)。器件仿真和光物理能级模型很好地解释了光响应机制。综上所述,本文呈现的研究结果展示了金纳米晶在修饰增强有机电子器件(光探测器)的光电特性方面极具潜力,可作为原型机,指导设计出更高性能的光电转换器件。


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