基于共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜的光電探測器陣列制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米技術(shù)和光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜的光電探測器陣列的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的光電探測器是用CdSe、CdTe、PbS、PbSe等無機半導(dǎo)體材料制成。無機半導(dǎo)體材料有非常穩(wěn)定的光學(xué)和電學(xué)性能，加工工藝成熟。但是無機半導(dǎo)體材料的局限性也一直困擾著學(xué)術(shù)界和工業(yè)界。首先是它的材料種類十分有限，各種性能值呈離散分布狀態(tài)。盡管摻雜能有效地修改無機半導(dǎo)體材料的性能，但摻雜需要高溫和相當(dāng)復(fù)雜的工藝，成本昂貴。而且，在電子元器件日益微型化的趨勢下，基于無機半導(dǎo)體的納米技術(shù)必將遭遇制造尺寸限制的瓶頸。另外，無機半導(dǎo)體材質(zhì)堅硬，缺乏柔性，很難應(yīng)用于曲面或延展性要求高的場合。
[0003]為了克服無機半導(dǎo)體材料在性能和制造工藝等方面的局限性，一些新的納米技術(shù)應(yīng)運而生，“由下而上”的疊層式納米自裝配薄膜技術(shù)是其中之一。這種納米技術(shù)通過尺寸在納米級別的帶電組元材料之間的靜電相互作用，使“構(gòu)筑零件”聚合物分子或納米顆粒以每層約lnm的生長階梯逐層交替吸附在襯底表面形成薄膜，最終實現(xiàn)預(yù)定的微/納米功能結(jié)構(gòu)。疊層式納米自裝配技術(shù)為構(gòu)建滿足特定性能要求的功能薄膜提供了很大的自由度，因為組元材料、疊層數(shù)目和疊層順序都可以按照需要進行改變或調(diào)整。這一技術(shù)的另一個突出優(yōu)勢是簡便易行且成本低廉。除了常規(guī)的硅和玻璃襯底，疊層式納米自裝配薄膜還能建造在柔韌性很好的塑料襯底上，因而能適用于一些特殊的應(yīng)用環(huán)境，比如曲面。疊層式納米自裝配技術(shù)在光電子器件上的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢，因為它不僅能從分子層面精確地控制薄膜的結(jié)構(gòu)、成分和厚度，還可能實現(xiàn)具有空穴運輸聚合物層、光敏層、電子運輸聚合物層交替層狀結(jié)構(gòu)的器件。目前，疊層式納米自裝配薄膜已應(yīng)用于光電開關(guān)、電致變色器件、太陽能電池、燃料電池、發(fā)光二極管，但是這項新的納米技術(shù)在光電探測器上的應(yīng)用卻極少。
[0004]共軛聚合物是新型的有機半導(dǎo)體材料，可用作光電探測器活性層。基于共軛聚合物的光電探測器具有重量輕、形狀柔性、成本低廉等優(yōu)勢，是很有前途的新一代光電探測器。而無機納米晶(也稱作量子點)是應(yīng)用前景廣闊的低維半導(dǎo)體材料，它的特別之處在于，因為量子局限效應(yīng)的作用，其吸收和發(fā)射能量顯著地依賴于尺寸，表現(xiàn)出的性能介于分子和主體之間。由于光譜性質(zhì)依賴于尺寸、三維局限引起的高量子效率、以及潛在的載流子倍增，納米晶被用于光電探測器中作為光敏劑。將無機半導(dǎo)體納米顆粒與有機共軛聚合物相結(jié)合形成的納米復(fù)合材料因為結(jié)合了有機半導(dǎo)體和無機半導(dǎo)體的電學(xué)和光學(xué)性能，極有可能呈現(xiàn)出獨特的光物理、光化學(xué)和電化學(xué)性能。將半導(dǎo)體納米晶摻雜于共軛聚合物基體形成的復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用于光電探測器，顯示出優(yōu)異的器件性能。例如，基于p0ly[2-methoxy-5- (2' -ethylhexyloxy) -1, 4-phenylenevinylene] (MEH-PPV)/PbSe 納米晶復(fù)合薄膜的光電探測器外量子效率最高可達150% (-8V，510nm，MEH-PPV含量為95% w，納米晶尺寸為8nm)，其活性層是通過旋涂MEH-PPV和PbSe納米晶的混合溶液形成。盡管使用常規(guī)的溶液混合、旋涂能產(chǎn)生高性能器件，但薄膜的厚度很難控制或重現(xiàn)，而且在加工過程中還會損失大量的材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，本發(fā)明提供一種基于共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜的光電探測器陣列的制造方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種基于共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜的光電探測器陣列的制造方法，包括以下步驟:
[0008]A:襯底ΙΤ0薄膜上光電探測器陣列陽極圖案的形成
[0009]1)采用旋涂技術(shù)將光刻膠均勻地涂在清洗過的玻璃-ΙΤ0襯底上；
[0010]2)采用光刻技術(shù)將光電探測器陣列陽極圖案轉(zhuǎn)移到玻璃襯底表面的ΙΤ0薄膜上；
[0011]B:共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜的制備
[0012]3)將步驟2)所得的形成了陽極圖案的ΙΤ0襯底先后放入丙酮和異丙醇中，用超聲波清洗儀清洗，最后用氮氣槍吹干襯底；
[0013]4)對經(jīng)步驟3)處理后的襯底表面的ΙΤ0薄膜進行表面改性使其帶負電；
[0014]5)將經(jīng)步驟4)處理后的襯底放入帶正電的共軛聚合物稀釋溶液中浸泡一段時間，取出后清洗，去除表面疏松吸附的物質(zhì)；
[0015]6)將經(jīng)步驟5)處理后的襯底放入另一帶負電的納米晶稀釋溶液中浸泡，取出后再清洗；
[0016]7)循環(huán)進行步驟5)和步驟6)直至襯底ΙΤ0薄膜表面沉積的共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配薄膜達到適當(dāng)?shù)暮穸?50nm-200nm)；
[0017]C:光電探測器陣列陰極結(jié)構(gòu)的形成
[0018]8)采用熱蒸發(fā)技術(shù)在步驟7)獲得的自裝配薄膜表面沉積LiF薄膜(5A);
[0019]9)采用熱蒸發(fā)技術(shù)在步驟8)獲得的LiF薄膜表面沉積A1薄膜(200nm)。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0021]本發(fā)明的基于共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜的光電探測器陣列可以建造在較大的面積上，重量輕且薄，柔韌性好，成本低廉。而且還可以通過改變組元材料、疊層順序、疊層數(shù)目和薄膜制備條件自由地修改自裝配薄膜的性質(zhì)，從而有效地優(yōu)化或調(diào)節(jié)光電探測器的性能，獲得高性能器件。
[0022]本發(fā)明做了如下的方法改進:
[0023]可采用的納米晶材料有:CdS、CdSe、CdTe、PbS、PbSe, InSb，納米晶直徑為4nm-8nm，這些半導(dǎo)體納米晶具有高電子迀移率，且能克服有機材料引起的電荷運輸限制?？墒褂玫墓曹椌酆衔锇?poly (p-phenylene) (PPP), poly (p-phenylene vinylene)(PPV), poly (p-phenylene ethynylene) (PPE)，這些聚合物的電學(xué)、光學(xué)性能能夠與無機納米晶很好地匹配產(chǎn)生優(yōu)異的光電子性能。通過選擇適當(dāng)?shù)墓曹椌酆衔锊牧弦约凹{米晶材料和尺寸，可以對光電探測器性能進行優(yōu)化或調(diào)節(jié)。
【附圖說明】
[0024]圖1為用于蝕刻ΙΤ0薄膜的塑料掩膜示意圖。
[0025]圖2為共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜的形成過程示意圖。
[0026]圖3為用于沉積LiF和A1薄膜的影子掩膜(shadow mask)示意圖。
[0027]圖4為本發(fā)明的基于共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜的光電探測器裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖5為基于共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜的光電探測器陣列示意圖。
[0029]其中:圖4和圖5中:1_共軛聚合物-納米晶疊層式自裝配功能薄膜；2-1T0薄膜；3-A1薄膜；4-LiF薄膜；5_玻璃。
[0030]圖6為基于PPV-CdSe納米晶疊層式自裝配功能薄膜的光電探測器裝置電流_電壓特性。測試條件為功率密度68 μ W/cm2