基于共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜的光电探测器阵列制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米技术和光电子器件技术领域，具体涉及一种基于共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜的光电探测器阵列的制造方法。
【背景技术】
[0002]传统的光电探测器是用CdSe、CdTe、PbS、PbSe等无机半导体材料制成。无机半导体材料有非常稳定的光学和电学性能，加工工艺成熟。但是无机半导体材料的局限性也一直困扰着学术界和工业界。首先是它的材料种类十分有限，各种性能值呈离散分布状态。尽管掺杂能有效地修改无机半导体材料的性能，但掺杂需要高温和相当复杂的工艺，成本昂贵。而且，在电子元器件日益微型化的趋势下，基于无机半导体的纳米技术必将遭遇制造尺寸限制的瓶颈。另外，无机半导体材质坚硬，缺乏柔性，很难应用于曲面或延展性要求高的场合。
[0003]为了克服无机半导体材料在性能和制造工艺等方面的局限性，一些新的纳米技术应运而生，“由下而上”的叠层式纳米自装配薄膜技术是其中之一。这种纳米技术通过尺寸在纳米级别的带电组元材料之间的静电相互作用，使“构筑零件”聚合物分子或纳米颗粒以每层约lnm的生长阶梯逐层交替吸附在衬底表面形成薄膜，最终实现预定的微/纳米功能结构。叠层式纳米自装配技术为构建满足特定性能要求的功能薄膜提供了很大的自由度，因为组元材料、叠层数目和叠层顺序都可以按照需要进行改变或调整。这一技术的另一个突出优势是简便易行且成本低廉。除了常规的硅和玻璃衬底，叠层式纳米自装配薄膜还能建造在柔韧性很好的塑料衬底上，因而能适用于一些特殊的应用环境，比如曲面。叠层式纳米自装配技术在光电子器件上的应用具有明显的优势，因为它不仅能从分子层面精确地控制薄膜的结构、成分和厚度，还可能实现具有空穴运输聚合物层、光敏层、电子运输聚合物层交替层状结构的器件。目前，叠层式纳米自装配薄膜已应用于光电开关、电致变色器件、太阳能电池、燃料电池、发光二极管，但是这项新的纳米技术在光电探测器上的应用却极少。
[0004]共轭聚合物是新型的有机半导体材料，可用作光电探测器活性层。基于共轭聚合物的光电探测器具有重量轻、形状柔性、成本低廉等优势，是很有前途的新一代光电探测器。而无机纳米晶(也称作量子点)是应用前景广阔的低维半导体材料，它的特别之处在于，因为量子局限效应的作用，其吸收和发射能量显著地依赖于尺寸，表现出的性能介于分子和主体之间。由于光谱性质依赖于尺寸、三维局限引起的高量子效率、以及潜在的载流子倍增，纳米晶被用于光电探测器中作为光敏剂。将无机半导体纳米颗粒与有机共轭聚合物相结合形成的纳米复合材料因为结合了有机半导体和无机半导体的电学和光学性能，极有可能呈现出独特的光物理、光化学和电化学性能。将半导体纳米晶掺杂于共轭聚合物基体形成的复合材料已经应用于光电探测器，显示出优异的器件性能。例如，基于p0ly[2-methoxy-5- (2' -ethylhexyloxy) -1, 4-phenylenevinylene] (MEH-PPV)/PbSe 纳米晶复合薄膜的光电探测器外量子效率最高可达150% (-8V，510nm，MEH-PPV含量为95% w，纳米晶尺寸为8nm)，其活性层是通过旋涂MEH-PPV和PbSe纳米晶的混合溶液形成。尽管使用常规的溶液混合、旋涂能产生高性能器件，但薄膜的厚度很难控制或重现，而且在加工过程中还会损失大量的材料。
【发明内容】
[0005]为克服现有技术存在的缺点和不足，本发明提供一种基于共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜的光电探测器阵列的制造方法。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种基于共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜的光电探测器阵列的制造方法，包括以下步骤:
[0008]A:衬底ΙΤ0薄膜上光电探测器阵列阳极图案的形成
[0009]1)采用旋涂技术将光刻胶均匀地涂在清洗过的玻璃-ΙΤ0衬底上；
[0010]2)采用光刻技术将光电探测器阵列阳极图案转移到玻璃衬底表面的ΙΤ0薄膜上；
[0011]B:共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜的制备
[0012]3)将步骤2)所得的形成了阳极图案的ΙΤ0衬底先后放入丙酮和异丙醇中，用超声波清洗仪清洗，最后用氮气枪吹干衬底；
[0013]4)对经步骤3)处理后的衬底表面的ΙΤ0薄膜进行表面改性使其带负电；
[0014]5)将经步骤4)处理后的衬底放入带正电的共轭聚合物稀释溶液中浸泡一段时间，取出后清洗，去除表面疏松吸附的物质；
[0015]6)将经步骤5)处理后的衬底放入另一带负电的纳米晶稀释溶液中浸泡，取出后再清洗；
[0016]7)循环进行步骤5)和步骤6)直至衬底ΙΤ0薄膜表面沉积的共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配薄膜达到适当的厚度(50nm-200nm)；
[0017]C:光电探测器阵列阴极结构的形成
[0018]8)采用热蒸发技术在步骤7)获得的自装配薄膜表面沉积LiF薄膜(5A);
[0019]9)采用热蒸发技术在步骤8)获得的LiF薄膜表面沉积A1薄膜(200nm)。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果为:
[0021]本发明的基于共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜的光电探测器阵列可以建造在较大的面积上，重量轻且薄，柔韧性好，成本低廉。而且还可以通过改变组元材料、叠层顺序、叠层数目和薄膜制备条件自由地修改自装配薄膜的性质，从而有效地优化或调节光电探测器的性能，获得高性能器件。
[0022]本发明做了如下的方法改进:
[0023]可采用的纳米晶材料有:CdS、CdSe、CdTe、PbS、PbSe, InSb，纳米晶直径为4nm-8nm，这些半导体纳米晶具有高电子迀移率，且能克服有机材料引起的电荷运输限制。可使用的共轭聚合物包括 poly (p-phenylene) (PPP), poly (p-phenylene vinylene)(PPV), poly (p-phenylene ethynylene) (PPE)，这些聚合物的电学、光学性能能够与无机纳米晶很好地匹配产生优异的光电子性能。通过选择适当的共轭聚合物材料以及纳米晶材料和尺寸，可以对光电探测器性能进行优化或调节。
【附图说明】
[0024]图1为用于蚀刻ΙΤ0薄膜的塑料掩膜示意图。
[0025]图2为共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜的形成过程示意图。
[0026]图3为用于沉积LiF和A1薄膜的影子掩膜(shadow mask)示意图。
[0027]图4为本发明的基于共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜的光电探测器装置结构示意图。
[0028]图5为基于共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜的光电探测器阵列示意图。
[0029]其中:图4和图5中:1_共轭聚合物-纳米晶叠层式自装配功能薄膜；2-1T0薄膜；3-A1薄膜；4-LiF薄膜；5_玻璃。
[0030]图6为基于PPV-CdSe纳米晶叠层式自装配功能薄膜的光电探测器装置电流_电压特性。测试条件为功率密度68 μ W/cm2