CN111952457A - 一种基于异质结的圆偏振光检测器 - Google Patents

一种基于异质结的圆偏振光检测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于异质结的圆偏振光检测器，是通过在设有绝缘介电层的基底上设置两层有机半导体构成异质结，且处于上层的机半导体层在圆偏振光照射下可产生手性活性，从而实现圆偏振光的检测。本发明圆偏振光检测器的光响应性能和电学性能优异，且制作方法简单、成本低，具有更好的应用前景。

Description

一种基于异质结的圆偏振光检测器
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种基于异质结的圆偏振光检测器。
背景技术
当自然光与物质相互作用后，会在折射光、反射光、散射光以及热辐射中引入与物质特性(如粗糙度、材料、含水度等)相关的偏振态。因此，偏振成像不仅能够有效识别传统强度成像无法或者难以分辨的低对比度目标，还能够凸显出目标物体的轮廓特征，在地面及空间遥感、矿物勘探、医学诊断、烟雾气候环境下的导航、伪装识别、海面和水下目标的探测与识别等方面有着传统技术不具备的优势，是一种新的信息分析手段。
光的偏振态可分为线偏振态和圆偏振态。目前，测量圆偏振特性最常见的方法是在探测器前加线偏振片和四分之一波片，通过旋转偏振片或四分之一波片来实现圆偏振光的测量。但该方法需要通过机械旋转，单次测量只能获取单一偏振态的信息。并且器件由分立***组成，体积大且稳定性差，难以实现小型化和集成化的圆偏振光直接检测。
为了实现圆偏振光的小型化和集成化的直接检测，人们提出将具有光学活性或者手性结构的材料作为活性层来制备圆偏振光探测器，通过电学信号直接检测圆偏振光。相较于传统的圆偏振探测技术，该基于光学活性或者手性结构的圆偏振探测器稳定性和可靠性更高，可实现对圆偏振态的直接检测，还可实现小型化以及集成化。
但现有的圆偏振光探测器多是基于单层有机半导体构建的，由于光照产生的电子-空穴对分离效率不高，且分离后容易复合，导致其电学性能和光响应性能较差，限制了其应用。
发明内容
基于上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于异质结的圆偏振光检测器，旨在利用可通过圆偏振光诱导产生手性活性的有机半导体与其它半导体匹配构建异质结，从而提高器件的电学性能和光响应性能。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
一种基于异质结的圆偏振光检测器，其特点在于：包括基底层，在所述基底层上设置有绝缘介电层，在所述绝缘介电层上设置有电荷传输层，在所述电荷传输层上设置有圆偏振光敏感层，在所述圆偏振光敏感层上间隔设置有源电极和漏电极；
所述电荷传输层与所述圆偏振光敏感层构成异质结结构，作为光电晶体管的活性层。且所述圆偏振光敏感层在圆偏振光照射下可产生手性活性，从而实现圆偏振光的检测。
进一步地，所述圆偏振光敏感层为F8BT、F6BT或其它聚芴衍生物中的一种。
进一步地，所述电荷传输层为3-己基取代聚噻吩(P3HT)、吡咯并吡咯二酮(DPP)或其衍生物中的一种，其具有较好的传输电荷性能，且可与F8BT或F6BT构成高性能的异质结。
进一步地，所述基底层为Si基底、PET基底或PI基底中的一种。
进一步地，所述基底层同时作为所述圆偏振光检测器的栅电极，或在所述基底层与所述绝缘介电层之间另外设置有栅电极(如Ni电极或Au电极)。
进一步地，所述绝缘介电层为SiO2层、Al2O3层或PMMA层。
进一步地，所述源电极和所述漏电极为Ni电极、Au电极或Al电极。
进一步地，所述源电极和所述漏电极之间的距离在10μm-100μm之间。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明的圆偏振光检测器采用在圆偏振光照射下可产生手性活性的有机半导体层作为活性层，如手性活性F6BT或F8BT是通过圆偏振光照射诱导非手性的F6BT或F8BT产生的，与通过合成方法在主链共轭的聚合物中引入手性侧链来制备光学活性层相比，本发明的构建方法简单、实用、制作成本低，且不需要引入其它物质。
2、本发明基于异质结结构来构建圆偏振光检测器，在内建电场的作用下使光生电子-空穴对的分离效率更高，与传统的单层圆偏振光检测器相比，其光响应性能和电学性能更加优异，具有更好的应用前景。
3、本发明的器件结构，为实现小型化、集成化和高性能的圆偏振探测提供了重要的器件物理和技术基础。
附图说明
图1为本发明基于异质结的圆偏振光检测器的结构示意图，图中标号：1为基底层；2为绝缘介电层；3为电荷传输层；4为圆偏振光敏感层；5为源电极；6为漏电极。
图2为实施例1中F6BT的结构式。
图3为实施例1中P3HT的结构式。
图4为实施例1中基于F6BT/P3HT异质结的圆偏振光检测器的能级示意图。
图5为实施例1中基于F6BT/P3HT异质结的圆偏振光检测器在无光照条件和在左旋、右旋光照射时，漏极电流(ID)随栅极电压(Vg)的变化曲线。
图6为实施例1中基于单层F6BT薄膜的圆偏振光检测器在无光照条件和在左旋、右旋光照射时，漏极电流(ID)随栅极电压(Vg)的变化曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于异质结的圆偏振光检测器，包括基底层1，在基底层1上设置有绝缘介电层2，在绝缘介电层2上设置有电荷传输层3，在电荷传输层3上设置有圆偏振光敏感层4，在圆偏振光敏感层4上间隔设置有源电极5和漏电极6；电荷传输层3与圆偏振光敏感层4构成异质结，且圆偏振光敏感层在圆偏振光照射下可产生手性活性，从而实现圆偏振光的检测。
具体的，本实施例中：圆偏振光敏感层采用F6BT(结构式如图2所示)，电荷传输层采用P3HT(结构式如图3所示)，基于F6BT/P3HT异质结的圆偏振光检测器的能级示意图如图4所示；基底层为Si基底，其同时也作为器件的栅电极；绝缘介电层采用300nm厚的SiO2层；源电极和漏电极选用Au电极，二者之间间距为100μm，源电极通常情况下接地，漏电极通常接外加偏压。
本实施例的圆偏振光检测器按如下方法制作：首先将P3HT与PMMA分别溶于氯苯溶剂中，然后将两溶液按0.5:30mg/mL的比例混合均匀，通过旋涂仪以2000转/分钟的转速将共混溶液在洗净的硅片上旋涂成膜，再通过膜转移的方法将共混膜转移到Cytop修饰的SiO2/Si基底上，用乙酸乙酯刻蚀去除PMMA层，形成P3HT薄膜；配置浓度为5mg/mL的F6BT的CH2Cl2溶液，以3000转/分钟的转速旋涂于P3HT薄膜之上，形成F6BT薄膜；最后在F6BT薄膜上通过热蒸镀的方法沉积源电极和漏电极。F6BT在旋涂成膜之后是不具有手性活性的，使用450nm功率为3mW的右旋圆偏振光照射源电极和漏电极之间的半导体沟道15min，使F6BT产生手性活性，即完成了器件制作。
本实施例的异质结器件在不光照的情况下，通过在栅电极上施加一定电压，在源、漏电极之间的沟道形成导电通路，然后在漏电极施加一定电压，使电荷定向运动形成电流。当圆偏振光照射源、漏电极之间的导电沟道时，会产生激子，激子分离形成光生电子和空穴，电子和空穴等载流子在源电极和漏电极之间的电场作用下定向移动，产生光电流。通过右旋圆偏振光诱导的F6BT对于左旋和右旋圆偏振光的吸收系数不同，导致产生的光生载流子数量不一样，光电流增益也会不一样，根据漏电极电流值(Ids)的大小可以区分左旋和右旋圆偏振光。此外，因为p-n异质结之间的内建电场，电子-空穴对的分离效率增加，因此基于异质结的圆偏振光检测器具有更好的光响应性能。
图5为基于F6BT/P3HT异质结的圆偏振光检测器在无光照条件和在左旋、右旋光照射时，漏极电流(ID)随栅极电压(Vg)的变化曲线。从图中可以看出，通过右旋圆偏振光照射诱导15min的F6BT，在右旋圆偏振光照射时的ID大于左旋圆偏振光照射时的ID，此外，圆偏振光照射时的ID大于没有光照时的ID，证明该基于光诱导异质结的圆偏振光检测器可以区分左旋和右旋圆偏振光。
为进行对比，本实施例同时也制作了没有P3HT薄膜、只有F6BT薄膜的单层圆偏振光检测器，并用相同功率和波长的圆偏振光诱导15min。图6为基于单层F6BT薄膜的圆偏振光检测器在无光照条件和在左旋、右旋光照射时，漏极电流(ID)随栅极电压(Vg)的变化曲线。可以看出其最大光响应度(R)仅为1.86×10-5A W-1，远低于基于F6BT/P3HT异质结的圆偏振光检测器的1.2×10-4A W-1，说明异质结的内建电场，可以提高光生电子-空穴对的分离效率，提高光响应度。
综上所述，本发明制备了一种易于实现小型化和集成化的基于异质结的圆偏振光检测器，圆偏振光检测的能力来源于光诱导异质结手性活性，光诱导的方法与其它制备手性活性层的方法相比，更加简单、无接触，利于实用化生产。此外，基于异质结的圆偏振光检测器相比于基于单一半导体层的检测器，具有更好的电学性能和光响应性能。
以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于异质结的圆偏振光检测器，其特征在于：包括基底层(1)，在所述基底层(1)上设置有绝缘介电层(2)，在所述绝缘介电层(2)上设置有电荷传输层(3)，在所述电荷传输层(3)上设置有圆偏振光敏感层(4)，在所述圆偏振光敏感层(4)上间隔设置有源电极(5)和漏电极(6)；
所述电荷传输层(3)与所述圆偏振光敏感层(4)构成异质结结构，且所述圆偏振光敏感层(4)在圆偏振光照射下可产生手性活性，从而实现圆偏振光的检测。
2.根据权利要求1所述的圆偏振光检测器，其特征在于：所述圆偏振光敏感层为F8BT、F6BT或其它聚芴衍生物中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的圆偏振光检测器，其特征在于：所述电荷传输层为3-己基取代聚噻吩、吡咯并吡咯二酮或其衍生物中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的圆偏振光检测器，其特征在于：所述基底层为Si基底、PET基底或PI基底中的一种。
5.根据权利要求4所述的圆偏振光检测器，其特征在于：所述基底层同时作为所述圆偏振光检测器的栅电极，或在所述基底层与所述绝缘介电层之间另外设置有栅电极。
6.根据权利要求5所述的圆偏振光检测器，其特征在于：另外设置的所述栅电极为Ni电极或Al电极。
7.根据权利要求1或2所述的圆偏振光检测器，其特征在于：所述绝缘介电层(2)为SiO2层、Al2O3层或PMMA层。
8.根据权利要求1或2所述的圆偏振光检测器，其特征在于：所述源电极(5)和所述漏电极(6)为Ni电极、Au电极或Al电极。
9.根据权利要求1或2所述的圆偏振光检测器，其特征在于：所述源电极(5)和所述漏电极(6)之间的距离在10μm-100μm之间。
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