一种宽光谱的圆偏振光探测器

1.本发明属于光电探测器领域，具体涉及一种宽光谱的圆偏振光探测器的制备。


背景技术：

2.圆偏振光在许多光子技术中发挥着重要作用，包括基于圆偏振椭偏仪的断层扫描、光通信和自旋信息以及基于量子的光学计算和信息处理等。为了在这些领域充分发挥圆偏振光的功能，能够检测圆偏振光的集成光电传感器是必不可少的。传统的圆偏振光探测器需要在探测器前加线偏振与四分之一波片，通过旋转线偏振片或者四分之一波片来实现圆偏振光的测量。这种器件的单次测量只能获取单一偏振态的信息，且体积大不易于集成和小型化。而基于手性材料的光电探测器由于其固有的光学活性可以直接检测圆偏振光，无需像传统光电探测器那样与偏振器和四分之一波片耦合，有利于实现小型化和集成化。
3.由于手性有机半导体本身具有光谱带隙可调、易于溶液加工、分子可设计等优点使其成为圆偏振光探测器中具有前景的构建模块。而有机半导体的手性光学响应需要使分子具有强的螺旋扭曲结构，这种分子堆积的不对称性会大大降低半导体的电荷传输特性，从而限制了应用。


技术实现要素：

4.基于上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供一种宽光谱的圆偏振光探测器，通过简单的将手性分子与有机半导体进行共混，利用二者之间形成的分子间作用力使其发生手性转移从而扩宽了光谱，并同时结合有机半导体优良的电荷传输特性和手性分子的手性光学响应，以期可以实现多个波长的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的区分性探测。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
6.一种宽光谱的圆偏振光探测器，其特点在于：所述圆偏振光探测器包括作为栅电极的衬底，和逐层设置于所述衬底上的栅绝缘层、修饰层和光敏性电荷传输层，在所述光敏性电荷传输层上设置有源电极和漏电极；所述光敏性电荷传输层为手性分子与给体-受体型(d-a)共轭聚合物的物理共混层。
7.进一步地，所述手性分子为聚噻吩-b-聚异腈共轭聚合物(p3ht-ppi)、手性聚乙炔和手性柠檬烯中的一种；所述给体-受体型共轭聚合物为聚并二噻吩-吡咯并吡咯二酮(dpp-tt)、或者氮杂异靛蓝与双(2-氧代二氢-7-氮杂吲哚-3-亚基)苯并二呋喃二酮的无规共聚物(cp)中的一种。在所述光敏性电荷传输层中，由于分子间堆积作用和分子间的氢键作用等分子间作用力使本身只存在于手性分子中的手性信号发生了转移从而扩宽了光谱，使所述光敏性电荷传输层在200～800nm的波长范围内具有手性活性。对器件照射这个波段的左旋和右旋的圆偏振光，由于探测器对于不同旋向和不同波长的光所产生的漏极电流i
ds
值不同，从而可以实现宽光谱的圆偏振光的检测。
8.进一步地：所述栅电极为硅，所述栅绝缘层为sio2层、al2o3层或聚甲基丙烯酸甲酯
(pmma)层中的一种，所述修饰层为十八烷基三氯硅烷、十二硫醇、1-癸硫醇、十八烷基二羟乙基氧化胺和全氟(1-丁烯基乙烯基醚)聚合物(cytop)中的至少一种。
9.进一步地，所述源电极和漏电极选用au电极。
10.与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
11.1、本发明首次通过简单物理共混实现了手性信号从手性分子转移到有机共轭聚合物，从而使光敏性电荷传输层在200～800nm的宽波段范围内均具有手性活性，所制备的有机场效应晶体管器件可以实现宽光谱的圆偏振光探测。
12.2、本发明的圆偏振光探测器可以对信息进行加密并且具有优异的稳定性。
13.3、本发明的圆偏振光探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，具有好的应用前景。
14.4、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
15.图1为本发明圆偏振光探测器的结构示意图，图中标号：1为衬底；2为栅绝缘层；3为修饰层；4为光敏性电荷传输单元；5为源电极；6为漏电极。
16.图2为本发明实施例1中手性聚噻吩-b-聚异腈共轭聚合物p3ht-ppi(d)与p3ht-ppi(l)两种对映体的化学结构式；
17.图3为氮杂异靛蓝与双(2-氧代二氢-7-氮杂吲哚-3-亚基)苯并二呋喃二酮的无规共聚物(cp)(图3(a))与聚并二噻吩-吡咯并吡咯二酮(dpp-tt)两种给体-受体型(d-a)共轭聚合物的化学结构式(图3(b))；
18.图4为本发明实施例1中手性聚噻吩-b-聚异腈共轭聚合物p3ht-ppi(d)和p3ht-ppi(l)的圆二色吸收谱图(图4(a))以及氮杂异靛蓝与双(2-氧代二氢-7-氮杂吲哚-3-亚基)苯并二呋喃二酮的无规共聚物(cp)与手性聚噻吩-b-聚异腈共轭聚合物p3ht-ppi(d)和p3ht-ppi(l)以体积比为(1：1)所制备的共混膜的圆二色吸收谱图(图4(b))；
19.图5为本发明实施例1中圆偏振光探测器在405nm(图5(a))、532nm(图5(b))、750nm(图5(c))的左右旋光的照射下漏极电流(i
ds
)随栅极电压(vg)的变化曲线，图中dark为暗电流、rcpl为右旋圆偏振光、lcpl为左旋圆偏振光；
20.图6为本发明实施例1中圆偏振光探测器对于左右旋光照射下不同的漏极电流(id)的变化可实现摩尔斯密码的信息加密。
具体实施方式
21.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。
22.实施例1
23.如图1所示，本实施例提供了一种宽光谱的圆偏振光探测器，是在作为栅电极的衬底1上设置有栅绝缘层2，在绝栅绝缘层2上设置有修饰层3，在修饰层3上设置有光敏性电荷传输层4，在光敏性电荷传输层4上设置有源电极5和漏电极6。具体的，本实施例中：光敏性
电荷传输层所采用的材料为cp与手性p3ht-ppi的共混层；衬底为si，其同时也作为器件的栅电极；栅绝缘层采用300nm厚的sio2层；修饰层为cytop层；源电极和漏电极选用au电极，二者之间间距为100μm。本实施例的圆偏振探测器器件按如下方法制作：
24.取表面带有sio2层的硅片，先用98％浓硫酸-30％双氧水体积比为(70：30)的混合溶液洗净，再用去离子水清洗，然后用氮气流干燥。在sio2层表面旋涂cytop作为修饰层。将cp和手性p3ht-ppi分别溶解在氯仿中，二者浓度均为3mg/ml，最终得到体积比为1：1的混合溶液。在手套箱中，将混合溶液旋涂在衬底上，3000rpm转速下持续40s，然后在真空烘箱中干燥，不加热以除去溶剂。随后，先将au通过掩膜版热蒸发至光敏性电荷传输层上，形成厚度约40nm的源电极和漏电极，其中沟道的长度和宽度分别为100μm和1000μm。
25.本实施例的光敏性电荷传输层是将非手性的共轭聚合物与手性分子进行共混，由于分子间堆积作用及分子间的的氢键作用，使本身存在于手性分子的手性信号转移到了非手性的半导体聚合物。如图4所示，圆二色光谱表现了共混膜具有200～800nm的宽波段范围手性光学响应。
26.本实施例的圆偏振光探测器器件在无光照的情况下，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。由于光敏性电荷层对于左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同，光电流增益不同，根据漏电极电流值(i
ds
)的大小可以区分左旋和右旋圆偏振光。此外，由于光敏性电荷传输层的手性光学响应覆盖了200～800nm的宽光谱范围，所以对圆偏振光探测器照射不同波长的左右旋圆偏振光均可通过不同的漏电极电流值(i
ds
)来区分。如图5所示，对圆偏振光探测器照射405nm、532nm和750nm波长的左右旋圆偏振光时，器件所产生的漏电极电流值(i
ds
)具有明显差异，可通过此来判断圆偏振光的旋向。
27.本实施例的圆偏振光探测器可通过在不同旋向的圆偏振光的照射下产生的漏电极电流值(i
ds
)的不同来进行信息加密。如图6所示，利用圆偏振光的旋向的不同，对产生的不同大小漏极电流值进行赋值，将在右旋圆偏振光照射下产生的较小电流值赋值为短促的点信号“.”；将在左旋圆偏振光照射下产生的较大电流值赋值为保持一定时间的长信号“—”。这种工作方式通过简单的调控圆偏振光的旋向可以实现对信息的加密与处理。
28.综上所述，本发明制备了一种易于实现小型化和集成化的宽光谱的圆偏振光探测器，该圆偏振光探测器的光敏性电荷传输层可通过将半导体聚合物和手性分子进行简单的物理共混旋涂得到，不仅具有良好的手性光学活性，同时也具有优异的电荷传输性能。并且基于不同旋向和波长的圆偏振光可以对信息进行加密处理。
29.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。