近红外有机共轭聚合物结构与光电二极管性能关系研究.pdf

摘要

有机光电探测器（OPD）具有可在柔性衬底上加工、易大面积制备、低成本等

优势，在军事、工业和生活中都有巨大的应用潜力。经典的有机光电探测器多采用

二极管结构，其器件由阴极/电子传输层/活性层/空穴传输层/阳极组成。其中，活性

层作为光电信号转换的场所，通常由给体材料与受体材料共混得到。因此，给体和

受体光敏材料是决定OPD性能的核心因素，这一点在近红外OPD的研究中更为

突出。尤其是探测光谱范围超过1μm的近红外光敏材料，是近年来近红外OPD材

料研究的热点。

近红外聚合物给体材料一直是近红外OPD研究的核心材料，为实现400nm-

1.5μm的光谱吸收，需要显著降低聚合物带隙。窄带隙近红外聚合物材料的设计

需要综合考虑分子的能级、带隙、吸收系数、结晶性、分相行为、溶解度、成膜性

以及与受体材料的匹配问题。此外，稳定性对于窄带隙材料也较为关键，需要仔细

考量。受限于上述难题，近红外聚合物给体材料在光谱拓展和性能提升方面难以兼

顾，近年来并无明显进步。

本文通过优选结构单元，优化主链结构、对侧链修饰等多种方式来设计调整共

轭聚合物材料的特性，使其满足近红外OPD的各项需求。主要内容及结论如下：

（1）设计并合成了共轭给体聚合物PTQ4T-2F，选用PC60BM作为受体制备

有机光电探测器进行测试及表征。聚合物PTQ4T-2F具有良好的热性能，最低未占

据轨道（LUMO）能级为-3.83eV，最高已占据轨道（HOMO）能级为-4.85eV，吸

收光谱范围超过1400nm，光学带隙低于0.89eV。受限于该聚合物较低的溶解度，

器件的光电性能并未达到优异的水平。

（2）基于聚合物PTQ4T-2F存在的溶解度问题，设计并合成了共轭给体聚合

物PTQIDT，同样选用PC60BM作为受体制备有机光电探测器进行测试及表征。设

计目的主要是改善溶解度以适应器件工艺优化，提升LUMO能级以实现更好的激

子解离。测试结果表明，聚合物PTQIDT的热性能良好，溶解度得到较大改善，

LUMO能级为-3.73eV，HOMO能级为-4.93eV，吸收光谱范围可以达到1200nm，

光学带隙为1.03eV。制备的OPD在暗电流抑制、空穴迁移率和激子解离效率等方

面都有较大的改善，光电性能也优于PTQ4T-2F体系。

关键词：近红外，有机光电探测器，共轭聚合物

ABSTRACT

Organicphotodetectors(OPD)havetheadvantagesofprocessingonflexible

substrates,easylarge-areapreparationandlowcost.Ithasgreatapplicationpotentialin

military,industryandlife.Classicalorganicphotodetectorsmostlyadoptdiodestructure,

andtheirdevicesarecomposedofcathode/electrontransportlayer/activelayer/hole

transportlayer/anode.Astheplaceofphotoelectricsignalconversion,theactivelayeris

usuallyobtainedbyblendingdonormaterialsandreceptormaterials.Therefore,donor

andacceptorphotosensitivematerialsarethecorefactorsthatdeterminetheperformance

ofOPD,whichismoreprominentintheresearchofnear-infraredOPD.Inparticular,the

detectionspectrumrangeexceeds1μmisa