基于有机光敏异质结的光电耦合器件特性及应用
本文选题:有机光耦 + 光敏异质结 ; 参考:《清华大学》2016年博士论文
【摘要】:从上世纪40年代开始,社会信息化进程飞速前进,传统的无机电子器件面临新的挑战,新兴的有机电子学得到了迅猛发展。作为一种新型的半导体器件,有机光电耦合器件(OOC)具有良好的信号隔离和传输性能,在低成本和柔性光电领域中有着重要的应用前景。在本论文中,我们利用有机发光二极管(OLED)为输入单元,有机光敏异质结二极管(OPD)为输出单元,从有机半导体材料、界面能级以及光场分布等方面探索了光生载流子的产生和传输机制,通过提高各个单元的效率,制备了高性能的OOC器件,并探索其在不同领域的应用。本论文的工作主要分为以下三个方面:1.采用m-MTDATA/C60异质结体系为光敏单元,蓝色OLED为光源,制备了OOC器件。利用光场分布模拟探索了OPD中异质结厚度与光电流的关系,通过肖特基势垒的消除以及体异质结的引入,提高了OPD的光敏效率。在此基础上,我们采用双面氧化铟锡(ITO)基底,实现光耦的单片集成,提高光传输效率。最后利用叠层蓝光OLED,使电流转换比CTR提高到2.2%,超过了部分商业化无机光耦的水平,有望应用于高效光耦器件的制备。另外双面ITO基底的引入还实现了电极分离,减小寄生电容,器件的截止频率和隔离电压分别提高到了250 k Hz和3000 V。2.采用高效光敏ISQ染料,以叠层红光OLED为光源,制备了红光响应的OOC。通过光场分布模拟,电极/有机界面能级调控等途径,CTR最终达到了4.4%。在此基础上,通过引入电子和空穴阻挡层材料,器件暗电流显著降低。此红光响应OOC有望应用于未来夜视成像、遥感控制等军工领域。随后,我们采用具有宽吸收光谱,较高载流子迁移率和扩散长度的CH3NH3Pb I3材料,制备了高性能的光敏单元,以高效白光叠层OLED为光源,光响应度达到1 A/W(@341.3μW/cm2),CTR达到263.3%,这是目前已报道的最大值。3.我们开发了OOC在低压控制电路、载流子迁移率测试新方法、以及压力传感等方面的应用。还发展了一种可自驱动的有机摩擦光电耦合器件,实现了不同强度、不同频率的信号传递。这些应用的开发有望满足光电子器件在未来智能化、个人化、便携化以及可穿戴领域的需求。
[Abstract]:Since the 1940s, with the rapid progress of social informatization, the traditional inorganic electronic devices are facing new challenges, and the new organic electronics has been developed rapidly. As a new type of semiconductor device, organic photocoupler (OOC) has good signal isolation and transmission performance, and has an important application prospect in low cost and flexible optoelectronic field. In this thesis, we use organic light emitting diodes (OLEDs) as input cells and organic Guang Min heterojunction diodes (OPDs) as output cells from organic semiconductor materials. The generation and transmission mechanism of photogenerated carriers are explored in the aspects of interface energy levels and light field distribution. High performance OOC devices are fabricated by improving the efficiency of each unit and their applications in different fields are explored. The work of this paper is divided into the following three aspects: 1. Using m-MTDATA-C60 heterojunction system as Guang Min cell and blue OLED as light source, OOC devices are fabricated. The relationship between the thickness of heterojunction and photocurrent is investigated by using the optical field distribution simulation. The efficiency of Guang Min is improved by eliminating Schottky barrier and introducing bulk heterojunction. On this basis, we adopt double sided indium tin oxide (ITO) substrate to realize the monolithic integration of optical coupling and improve the optical transmission efficiency. Finally, by using laminated blue OLED, the current conversion ratio of CTR is increased to 2.2, which exceeds the level of partially commercial inorganic optical coupling, and is expected to be used in the fabrication of high-efficiency optical coupling devices. In addition, the introduction of double-sided ITO substrate also realizes electrode separation and reduces parasitic capacitance. The cut-off frequency and isolation voltage of the device are increased to 250kHz and 3000 V. 2, respectively. Red light responsive OOCs were prepared by using high efficiency Guang Min ISQ dyes and laminated red OLED as light source. Through the simulation of the light field distribution, the CTR of the electrode / organic interface is finally up to 4.4 by regulating the energy level of the electrode / organic interface. On this basis, the dark current of the device is significantly reduced by the introduction of electron and hole barrier materials. The red light response OOC is expected to be used in the future night vision imaging, remote sensing control and other military fields. Subsequently, high performance Guang Min cells were prepared by using CH3NH3PbI3 with wide absorption spectrum, high carrier mobility and diffusion length. The photoresponsivity reached 1 A / W (341.3 渭 W / cm ~ 2) and CTR reached 263.3%, which is the maximum reported. We have developed the applications of OOC in low voltage control circuits, new methods of carrier mobility measurement, and pressure sensing. An organic friction photocoupler which can drive itself is also developed, which can transmit signals with different intensity and frequency. These applications are expected to meet the future needs of optoelectronic devices in the fields of intelligence, personalization, portability and wearability.
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN622
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,本文编号:2097562
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