用於紅外探測的有機薄膜的製作方法

2023-09-18 22:49:50

專利名稱：用於紅外探測的有機薄膜的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及有機光敏器件。更具體地說，涉及對紅外輻射具有靈敏度的有 機光敏器件。
背景技術：
光探測器是將入射的電磁輻射轉化為可測量的電信號的光敏器件。它們通常與 測量當光探測器暴露於電磁輻射時產生的光電流的電流檢測電路配合使用。光探測器可以根據是否存在如下定義的整流結，也可以根據該器件是否用外加 電壓(也被稱為偏壓或偏置電壓)運行來分類。光電導體(或光敏電阻)單元以電導的 變化對入射輻射作出響應；它們沒有整流結並且通常加偏壓運行。光電二極體和光電器 件以激子的產生對入射輻射作出響應。它們至少具有一個整流結；光電二極體通常但並 不總是加偏壓運行。本文所用的術語「整流」，除其他外，表示界面具有非對稱的傳導特性，艮口， 該界面支持電子電荷優先沿一個方向傳輸。術語「半導體」表示當通過熱或電磁激發而 引起載荷子時能夠導電的材料。術語「光導」 一般涉及電磁輻射能被吸收並轉化為電載 荷子的激發能的過程，以便該載荷子能夠在材料中傳導(即傳輸)電荷。術語「光導材 料」指的是利用其在電磁輻射吸收時能產生電載荷子的能力的半導體材料。本文所用的 術語「異質結」指的是施主/受主半導體異質結，除非另有表徵。固態電子器件最經常通過在固態基板上各種材料圖案層的沉積而構成。本文所 用的「頂部」是指距基板最遠，而「底部」是指距基板最近。可以有插入層(例如， 如果第一層在第二層上)，除非指明第一層「物理接觸」或「直接在」第二層上；後一 表述並不排除插入的表面處理(例如，將第一層暴露於氧或氫等離子體或離子注入)。當適當能量的電磁輻射入射在有機半導體材料上時，能夠吸收光子以產生激發分子態。在有機光導材料中，該激發分子態一般被認為是一個「激子」，一種作為準粒 子傳輸的束縛態的電子-空穴對。激子在配對再結合(「猝滅」)之前可以有可感知的 壽命，其中原來的電子和空穴彼此再結合(而不是與來自其他對的空穴或電子再結合)。 為了產生光電流，形成激子的電子_空穴對通常在整流結處分離。就光敏器件而言，整流結為異質結。有機光伏異質結的類型包括在施主材料和 受主材料的界面處形成的施主-受主異質結和在光導材料和金屬的界面處形成的肖特基 勢壘異質結。有機材料的寬吸收光譜和高吸收係數( IO5cm O，以及化學家能夠調整電子和 光子的性能以適應特定的應用或光譜範圍，使有機材料在光探測和太陽能轉化的應用尤 其令人感興趣。P.Peumans，A.Yakimov 和 S.R.Forres t，J.Appl.Phys.93，3693(2003)； C.W.Tang, Appl.Phys丄ett.48，183(1986) ； A.Shah, P.Torres, R.Tscharner, N.Wyrsch 和 H.Keppner，Science 285，692 (1999) ; P.Peumans 禾Π S.R.Forrest，Appl.Phys.Lett.79, 126 (2001)。有機材料及其相應的透明基板(玻璃或塑料)的低折射率也使有效的光能夠 耦合到器件，導致潛在的高量子效率。有機半導體的一個重要特性是載流子遷移率。遷移率衡量載荷子能夠響應電場 貫穿導電材料的難易程度。在有機光敏器件的情況下，由於高的電子遷移率而優先通過 電子傳導的材料可稱為電子傳輸材料。由於高的空穴遷移率而優先通過空穴傳導的材料 可稱為空穴傳輸材料。由於遷移率和/或器件中層的位置而優先通過電子傳導的層可稱 為電子傳輸層(「ETL」)。由於遷移率和/或器件中層的位置而優先通過空穴傳導的 層可稱為空穴傳輸層(「HTL」)。對於更多的有機光敏器件的背景說明和現有技術的描述，包括其一般結構、 特性、材料和特徵，Forrest和Xue的美國專利第6,972,431號、Forrest等人的美國專 利第6,657,378號、Forrest等人的美國專利第6,580,027號和Bulovic等人的美國專利第 6,352,777號全部以引用的方式併入本文中。至於綜述，參見P.Peumans，V.Bulovic和 S.R.Forrest, Appl.Phys.Lett.76, 3855(2000).對紅外輻射敏感的光探測器是現有技術中已知的，並且廣泛用於遙感、軍事和 天文學應用。在靈敏度最重要的情況下，一般使用通常由小帶隙(約0.1-0.2eV)的半導 體如HgCdTe製成的低溫紅外光探測器。這些探測器，特別是圖像陣列形式的探測器的 製造成本高，電路設計複雜，並且需要低溫溫度，其增加了器件的複雜性。在不需要低 溫探測器的靈敏度的應用中，成本較低的未冷卻的熱探測器可供使用。這些器件(如高 溫計和輻射熱測量計)依靠收到的紅外光子向熱能的初始轉化。需要靈敏但相對簡單且 廉價的紅外探測器。有機半導體製造成本低廉因而適用於大規模生產。但是，在有機光敏器件領 域，仍然需要具有對紅外輻射的敏感性的器件。典型的有機半導體的帶隙為>1.5eV，這 太大以至於不允許由載有最多約0.3eV的紅外輻射激發。本發明提供了能夠探測近IR和 中IR輻射的有機半導體器件。

發明內容
本申請提供一種探測紅外輻射的方法。本發明的方法包括用具有適於在光導有機材料中產生一個或多個能量為E的第一激子的光子能量的泵浦光輻照光導有機材料， 其中E小於在光導有機材料中產生載荷子所需的最低激發能E·，兩者的能量差對應於電 磁光譜的紅外區域；將該光導有機材料暴露於紅外輻射，並探測通過第一激子對紅外輻 射的吸收產生的載荷子。本發明的方法可用於探測能量在大約0.1至大約1.7eV範圍內的 近紅外或中紅外輻射。泵浦光的波長基於所用的光導有機材料而確定，一般在電磁光譜的可見光和紫 外光區域內。優選地，選擇泵浦光強度以便產生足夠數量的第一激子，以使得可以由IR 產生足夠的電荷，以進行精確的電荷探測。泵浦光可以為任何合適的時間形式。在一個優選的實施方案中，該泵浦光為脈 衝光。在一個實施方案中，第一激子為第一單線態激子。該第一單線態激子可以通過 泵浦光在光導有機材料中由單線態-單線態直接躍遷而產生。在另一實施方案中，泵浦 光在光導有機材料中產生一個或多個更高能態(higher lying)的單線態激子，其隨後轉化 為一個或多個第一單線態激子。該光導有機材料可以是純材料或混合材料。在一個優選的實施方案中，該光導 有機材料包含基質材料和摻雜材料。在一個實施方案中，可以選擇基質材料和摻雜材料 以便該摻雜材料吸收泵浦光以產生第一激子。在另一實施方案中，可以選擇基質材料和 摻雜材料以便該基質材料吸收泵浦光以在基質材料中產生激子，該激子隨後在該摻雜材 料中產生第一激子。在另一實施方案中，光導有機材料包含基質材料和用於促進電荷分離的摻雜材 料。在這一實施方案中，第一激子對紅外輻射的吸收導致產生第二激子，該第二激子通 過向摻雜材料的LUMO的弛豫而離解成載荷子。在另一實施方案中，第一激子為第一三線態激子。這些三線態激子的紅外吸收 導致產生更高能態的三線態激子，該三線態激子離解成載荷子。在一個實施方案中， 泵浦光在光導有機材料中產生一個或多個單線態激子，該單線態激子隨後轉化為一個或 多個第一三線態激子。該第一三線態激子也可以通過泵浦光在光導有機材料中由單線 態-三線態直接躍遷而產生。在使用第一三線態激子的實施方案中，光導有機材料可以包含基質材料和磷光 摻雜材料。在一個優選的實施方案中，泵浦光在磷光材料中產生一個或多個單線態激 子，該單線態激子在磷光摻雜材料中例如通過系間竄越轉化為第一三線態激子。在另一 優選的實施方案中，泵浦光在基質材料中產生一個或多個單線態激子，該單線態激子在 磷光摻雜材料中轉化為第一三線態激子。該轉化可以通過從單線態激子到第一三線態激 子的直接系間竄越而實現。該轉化也可以通過在磷光摻雜材料中向單線態激子的能量轉 移，隨後通過從磷光摻雜劑中的單線態激子到第一三線態激子的系間竄越而實現。優選 地，單線態激子轉化為第一三線態激子的時間尺度小於電荷分離的時間尺度。在一個具 體的實施方案中，單線態激子在小於大約1皮秒的時間尺度上轉化為第一三線態激子。 這樣快速的單線態到三線態的轉化使得能夠利用位於Emm以上的單線態激子以產生適當 能量的三線態激子。在另一優選的實施方案中，使用敏化劑來強化第一三線態激子的生產。在一個實施方案中，選擇具有嵌套在磷光摻雜材料的單線態和三線態激子能級中的單線態和三 線態激子能級的基質材料。因此，這樣的基質材料充當敏化劑。在另一實施方案中，光導有機材料包含基質材料、磷光摻雜材料和敏化劑材 料。泵浦光在敏化劑材料中產生一個或多個單線態激子，該單線態激子在磷光摻雜材料 中轉化為第一三線態激子。優選地，敏化劑材料具有嵌套在所述磷光摻雜材料的單線態 和三線態激子能級中的單線態和三線態激子能級。本發明的方法可以使用光導器件實施，其中通過探測光導材料中的電導率或電 阻的變化來探測IR產生的載流子。本發明的方法也可以使用包括整流結的光伏器件實施，其中通過探測跨整流結 的電壓來探測IR產生的載流子。該整流結可以是但不限於平面整流結、混合異質結或本 體異質結。在一個實施方案中，光導有機材料是施主材料，其用於與受主材料接觸以形 成整流結。在這樣的一個實施方案中，Emm優選地不低於所述受主材料的LUMO能。更 優選地，Emm比所述受主材料的LUMO能高大約50mV。在另一實施方案中，光導有機材料是受主材料，其用於與施主材料接觸以形成 整流結。在這樣的一個實施方案中，Emm優選地不高於所述受主材料的HOMO能。更 優選地，Emm比所述受主材料的HOMO能低大約50mV。本發明還提供了用於探測紅外輻射的有機光敏光電器件，其包含第一電極和第 二電極；以及位於該第一電極與該第二電極之間的本發明的光導有機材料。該光導有機 材料可以是以上針對本發明方法所述的任何材料。本發明的有機光敏光電器件可以進一步包含為照射該有機光導材料而設置的可 見光和/或紫外光源。可見光和/或紫外光的強度可以以與針對本發明方法所述類似的 方式選擇。本發明的有機光敏光電器件可以進一步包含在兩個電極之間且與兩個電極的 至少一個相鄰的至少一個激子阻擋層。本發明還提供了用於紅外輻射探測的有機光敏光電器件中使用的有機材料。該 有機材料可以是以上針對本發明方法所述的任何材料。本發明還提供了紅外輻射成像的成像儀，其包含多個本發明的有機光敏光電器 件。本發明的成像儀優選地具有至少10、100、10000、IO6個或更多個有機光敏光電器 件。本發明的成像儀中的有機光敏光電器件可以是IymXlym或更小尺寸。優選地， 本發明的成像儀中的多個有機光敏光電器件形成可單獨尋址陣列。


在下列附圖中所示的器件中的組件結構並不一定按比例繪製圖1的能級圖顯示了通過摻雜劑的S1單線態(1A和1D)和T1三線態(1B和1C) 激發態的雙光子激發。圖2的能級圖說明在施主-受主異質結的任一組分中的形成光誘導激子，以及在 該結處激子離解成分離的載荷子。圖3說明在施主中形成光誘導激子，以及在施主-受主雙層的平面異質結處的激 子離解。圖4說明光誘導激子在夾在施主層與受主層之間的混合異質結中形成和離解。
圖5說明光誘導激子在本體(非平面)異質結中形成和離解。圖6說明一個帶整體光源的有機光敏器件。圖7顯示了典型的三線態敏化劑的結構。圖8的能級圖說明通過敏化劑產生三線態激子。
具體實施例方式在本文中，如果第一能級更接近真空能級，則第一 HOMO或LUMO能級「大 於」或「高於」第二 HOMO或LUMO能級。更高的HOMO能級對應於具有更小的相 對於真空能級的絕對能量的電離勢(「IP」)。同樣，更高的LUMO能級對應於具有更 小的相對於真空能級的絕對能量的電子親合勢(「EA」)。在普通的能級圖上，真空能 級在頂部，材料的LUMO能級高於該相同材料的HOMO能級。在有機材料的情況下，術語「施主」和「受主」是指兩種接觸但不同的有機材 料的最高已佔分子軌道(「HOMO」)和最低未佔分子軌道(「LUMO」)的能級的相 對位置。在一種材料與另一種材料接觸的情況下，具有較低能量的LUMO的材料是受主 而具有較高能量的LUMO的材料是施主。在沒有外部偏壓時，這對於從施主LUMO提 升的電子在施主_受主結處轉移到受主材料在能量上是有利的。結果是激子離解成能夠 傳導到外部探測電路的分離的載荷子。圖2是施主-受主異質結的能級示意圖。施主152或受主154中的光子6的吸 收產生激子8，該激子在整流界面處離解。施主152傳輸空穴(空圈)而受主154傳輸電 子(實圈)。圖3說明了在雙層異質結的施主層中激子的光生作用，在平面結處激子離解成 載荷子，以及遠離該結的載荷子的傳導。圖4說明了發生在光活性平面混合異質結層153中的同樣過程。在平面混合異質 結中，施主和受主材料在幾納米或更小的量級上以分子水平或接近分子水平進行混合， 在圖4所示的雜化異質結的情況下，該混合層夾在施主與受主層之間。混合層中組分的 濃度可以沿著朝向相應的施主或受主層或電極的梯度增加。圖5說明了發生在本體異質結中的該過程，其中該光活性層是相互滲透的有機 施主和受主相的混合物。該相區域在本體異質結中的尺寸範圍可以從幾納米到大約100 納米。該異質結可以是無序的混合物或施主和受主相的有序的相互滲透網絡。本文所用的術語「有機」包括可用於製造有機光電器件的小分子有機材料以及 聚合物材料。「小分子」是指任何不是聚合物的有機材料，並且「小分子」實際上可能 會相當大。小分子在某些情況下可以包括重複單元。例如，使用長鏈烷基作為取代基的 分子不應從「小分子」類排除。小分子也可以納入聚合物中，例如作為聚合物主鏈上的 側掛基團或作為主鏈的一部分。小分子也可以作為樹枝狀大分子的核心結構部分，該樹 枝狀大分子由一系列建立在該核心結構部分上的化學殼層組成。樹枝狀大分子的核心結 構部分可以是螢光或磷光小分子發射體。樹枝狀大分子可以是「小分子」。一般來說， 小分子具有確定的化學式，其各個分子具有相同的分子量，而聚合物具有確定的元素比 例，其分子量可以在各個分子之間變化。本文所用的「有機」包括烴基和雜原子取代的 烴基配體的金屬絡合物。
12
本文所用的「近:[R和中:[R輻射」是指具有0.1至1.7eV的能量的輻射。本申請提供了一種探測紅外輻射的方法。在本發明的方法中，將光導有機材料 用具有適合於在該光導有機材料中產生一個或多個能量為E的第一激子的光子能量的泵 浦光照射，其中E小於能用於在光導有機材料中產生載荷子的最低激發能，兩者的能量 差在電磁光譜的紅外區域。如果ΔΕ代表能量差，並且Emm代表能用於在光導有機材料 中產生載荷子的最低激發能，則δε = Ε·-Ε。將該光導有機材料暴露於紅外輻射。如 果該紅外輻射存在，紅外輻射被第一激子吸收導致被探測的載荷子的產生。本發明的方 法可用於探測近紅外或中紅外輻射，即ΔΕ在大約0.1至大約1.7eV範圍內。泵浦光的波長基於所用的光導有機材料而確定，一般在電磁光譜的可見光和紫 外光區域。優選地，選擇泵浦光強度以便產生足夠數量的第一激子。多種因素可影響泵 浦強度的選擇，包括以下中的一項或多項(a)激發態對待探測波長的吸收係數，(b)激 發態的壽命，(c)器件活性區的厚度(它反過來取決於電荷收集效率)，和(d)待探測的 入射光的預期重複率。在一個實施方案中，泵浦光強度基於下列方程(1)和(2)確定。 由泵浦功率P產生的激子的數量N表示為
權利要求
1.探測紅外輻射的方法，其包括ω用泵浦光輻照光導有機材料，該泵浦光具有適於在所述光導有機材料中產生一個 或多個第一激子的光子能量，該第一激子具有在Emm以下ΔΕ以內的能級Ε，其中Emm是 在所述光導有機材料中產生載荷子的最低激發能，ΔΕ在電磁光譜的紅外區域內；( )將所述光導有機材料暴露於所述紅外輻射，其中所述第一激子對所述紅外輻射的 吸收導致載荷子的產生；和(iii)探測所述產生的載荷子。
2.權利要求1的方法，其中ΔE在大約0.1至大約1.7eV範圍內。
3.權利要求1的方法，其中該泵浦光為可見光和/或紫外光。
4.權利要求1的方法，其中所述泵浦光為脈衝光。
5.權利要求1的方法，其中選擇所述泵浦光的強度，以使得產生足夠數量的所述第一 激子，以用於靈敏的電荷檢測。
6.權利要求1至5的任何一項的方法，其中所述一個或多個第一激子為單線態激子。
7.權利要求6的方法，其中所述光導有機材料包含基質材料和摻雜材料，並且其中所 述摻雜材料吸收所述泵浦光以產生所述第一激子。
8.權利要求6的方法，其中，所述光導有機材料包含基質材料和摻雜材料，並且其中 所述基質材料吸收所述泵浦光以在所述基質材料中產生激子，該激子在所述摻雜材料中 轉化為所述第一激子。
9.權利要求7或8的方法，其中所述基質材料選自含咔唑材料、芳胺、四芳基苯二 胺、共軛半導體聚合物或聚合物的共混物、酞菁、卟啉、過渡金屬絡合物、C6(l、多環芳 烴以及過渡金屬、錒系元素和鑭系元素的絡合物。
10.權利要求7至9的任何一項的方法，其中所述摻雜材料選自金屬酞菁、金屬卟 啉、並苯、取代並苯和雷射染料。
11.權利要求6的方法，其中所述光導有機材料包含基質材料和摻雜材料，並且其中 所述第一激子對所述紅外輻射的吸收導致產生第二激子，該第二激子通過向所述摻雜材 料的LUMO的弛豫而離解成載荷子。
12.權利要求1至11的任何一項的方法，其中所述光導有機材料為施主材料，並且其 中所述施主材料與受主材料接觸以形成整流結。
13.權利要求12的方法，其中Emm不低於所述受主材料的LUMO能。
14.權利要求13的方法，其中Emm比所述受主材料的LUMO能高大約50mV。
15.權利要求1至11的任何一項的方法，其中所述光導有機材料為受主材料，並且其 中所述受主材料與施主材料接觸以形成整流結。
16.權利要求15的方法，其中Emm不高於所述受主材料的HOMO能。
17.權利要求16的方法，其中Emm比所述受主材料的HOMO能低大約50mV。
18.權利要求12至17的任何一項的方法，其中所述施主材料包含選自含咔唑材料、 芳胺、四芳基苯二胺、低聚噻吩、對亞苯基亞乙烯基類、低聚吡咯、四硫富瓦烯及其衍 生物、共軛半導體聚合物或聚合物的共混物、酞菁、卟啉、並苯和取代並苯、碳納米 管、配位化合物和有機金屬絡合物的材料。
19.權利要求12至18的任何一項的方法，其中所述受主材料包含選自F16CoPc、F16ZnPc、NiTPP>四氰乙烯、四氰奎寧環及其衍生物、富勒烯、多環芳烴、配位化合物 和有機金屬絡合物的材料。
20.權利要求12至19的任何一項的方法，其中所述整流結為平面整流結、混合異質 結或本體異質結。
21.權利要求1至5的任何一項的方法，其中所述一個或多個第一激子為三線態激子。
22.權利要求21的方法，其中所述泵浦光在所述光導有機材料中產生一個或多個單 線態激子，該單線態激子轉化為所述一個或多個第一三線態激子，並且其中所述一個或 多個第一三線態激子對所述紅外輻射的吸收導致產生一個或多個第二三線態激子，該第 二三線態激子離解成載荷子。
23.權利要求21或22的方法，其中所述光導有機材料包含基質材料和磷光摻雜材 料，其中所述泵浦光在所述磷光摻雜材料中產生一個或多個單線態激子，該單線態激子 在所述磷光摻雜材料中轉化為所述第一三線態激子。
24.權利要求21或22的方法，其中所述光導有機材料包含基質材料和磷光摻雜材 料，其中所述泵浦光在所述基質材料中產生一個或多個單線態激子，該單線態激子在所 述磷光摻雜材料中轉化為所述第一三線態激子。
25.權利要求23或24的方法，其中所述單線態激子在比電荷分離的時間尺度小的時 間尺度上轉化為所述第一三線態激子。
26.權利要求25的方法，其中所述單線態激子在小於約1皮秒的時間尺度上轉化為所 述第一三線態激子。
27.權利要求21至26的任何一項的方法，其中所述基質材料選自含咔唑材料、芳 胺、四芳基苯二胺、低聚噻吩、亞苯基亞乙烯基類、低聚吡咯、四硫富瓦烯及其衍生 物、共軛半導體聚合物或聚合物的共混物、酞菁、卟啉、並苯和取代並苯、碳納米管、 配位化合物和有機金屬絡合物。
28.權利要求21至27的任何一項的方法，其中所述磷光摻雜材料選自帶有原子序數 大於40的重金屬離子的金屬卟啉和酞菁；帶有原子序數大於40的金屬離子的有機金屬絡 合物；和帶有原子序數小於40且系間竄越效率大於25%的金屬離子的金屬絡合物。
29.權利要求28的方法，其中所述磷光摻雜材料為Ir或Pt的有機金屬絡合物。
30.權利要求21的方法，其中所述泵浦光在所述光導有機材料中通過直接單線態-三 線態躍遷產生一個或多個第一三線態激子，並且其中所述一個或多個第一三線態激子對 所述紅外輻射的吸收導致產生一個或多個第二三線態激子，該第二三線態激子離解成載 荷子。
31.權利要求24的方法，其中所述基質材料具有嵌套在所述磷光摻雜材料的單線態和 三線態激子能級中的單線態和三線態激子能級。
32.權利要求31的方法，其中所述基質材料為(lnp)Pt(dpm)或(btp)Pt(dpm)，並且 其中所述磷光摻雜材料為紅熒烯。
33.權利要求21或22的方法，其中所述光導有機材料包含基質材料、磷光摻雜材料 和敏化劑材料，其中所述泵浦光在所述敏化劑材料中產生一個或多個單線態激子，該單 線態激子在所述磷光摻雜材料中轉化為所述第一三線態激子。
34.權利要求33的方法，其中所述敏化劑材料具有嵌套在所述磷光摻雜材料的單線態 和三線態激子能級中的單線態和三線態激子能級。
35.權利要求33至34的任何一項的方法，其中所述基質材料選自含咔唑材料、芳 胺、四芳基苯二胺、低聚噻吩、亞苯基亞乙烯基類、低聚吡咯、四硫富瓦烯及其衍生 物、共軛半導體聚合物或聚合物的共混物、酞菁、卟啉、並苯和取代並苯、碳納米管、 配位化合物和有機金屬絡合物。
36.權利要求33至35的任何一項的方法，其中所述磷光摻雜材料選自帶有原子序數 大於40的重金屬離子的金屬卟啉和酞菁；帶有原子序數大於40的金屬離子的有機金屬絡 合物；和帶有原子序數小於40且系間竄越效率大於25%的金屬離子的金屬絡合物。
37.權利要求33至36的任何一項的方法，其中所述敏化劑材料選自帶有原子序數大 於40的重金屬離子的金屬卟啉和酞菁；帶有原子序數大於40的金屬離子的有機金屬絡合 物；和帶有原子序數小於40且系間竄越效率大於25%的金屬離子的金屬絡合物。
38.權利要求21至37的任何一項的方法，其中所述光導有機材料為施主材料，其中 所述施主材料與受主材料接觸以形成整流結。
39.權利要求38的方法，其中Emm不低於所述受主材料的LUMO能。
40.權利要求39的方法，其中Emm比所述受主材料的LUMO能高大約50mV。
41.權利要求21至37的任何一項的方法，其中所述光導有機材料為受主材料，其中 所述受主材料與施主材料接觸以形成整流結。
42.權利要求41的方法，其中Emm不高於所述受主材料的HOMO能。
43.權利要求42的方法，其中Emm比所述受主材料的HOMO能低大約50mV。
44.權利要求38至43的任何一項的方法，其中所述施主材料包含選自含咔唑材料、 芳胺、四芳基苯二胺、低聚噻吩、亞苯基亞乙烯基類、低聚吡咯、四硫富瓦烯及其衍生 物、共軛半導體聚合物或聚合物的共混物、酞菁、卟啉、並苯和取代並苯、碳納米管、 配位化合物和有機金屬絡合物的材料。
45.權利要求38至44的任何一項的方法，其中所述受主材料包含選自F16CoPc、 F16ZnPc、NiTPP>四氰乙烯、四氰奎寧環及其衍生物、富勒烯、多環芳烴、配位化合物 和有機金屬絡合物的材料。
46.權利要求38至45的任何一項的方法，其中所述整流結為平面整流結、混合異質 結或本體異質結。
47.用於探測紅外輻射的有機光敏光電器件，其包含(i)第一電極和第二電極；以及(ii)位於第一電極與第二電極之間的光導有機材料，其中所述光導有機材料能吸收可 見光和/或紫外光以產生一個或多個具有能級E的第一激子，該能級E在Emm以下ΔΕΗ 內，其中Emm是在所述光導有機材料中產生載荷子的最低激發能，ΔΕ在電磁光譜的紅外 區域內。
48.權利要求47的有機光敏光電器件，其進一步包含為照射該有機光導材料而設置的 可見光和/或紫外光源。
49.權利要求47的有機光敏光電器件，其進一步包含在兩個電極之間且與兩個電極的 至少一個相鄰的至少一個激子阻擋層。
50.權利要求47至49的任何一項的有機光敏光電器件，其中ΔΕ在大約0.1至大約 1.7eV範圍內。
51.權利要求48的有機光敏光電器件，其中所述可見光和/或紫外光為脈衝光。
52.權利要求51的有機光敏光電器件，其中選擇所述可見光和/或紫外光的強度，以 便產生足夠數量的所述第一激子，以用於靈敏的電荷探測。
53.權利要求47至52的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述第一激子為第一三 線態激子，並且其中所述光導有機材料包含基質材料和磷光摻雜材料，其中所述基質材 料能夠吸收所述可見光和/或紫外光以產生一個或多個單線態激子，該單線態激子在所 述磷光摻雜材料中轉化為所述第一三線態激子。
54.權利要求53的方法，其中所述基質材料具有嵌套在所述磷光摻雜材料的單線態和 三線態激子能級中的單線態和三線態激子能級。
55.權利要求54的方法，其中所述基質材料為(tap)Pt(dpm)或(btp)Pt(dpm)，並且 其中所述磷光摻雜材料為紅熒烯。
56.權利要求47至52的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述第一激子為第一三 線態激子，並且其中所述光導有機材料包含基質材料、磷光摻雜材料和敏化劑材料，其 中所述敏化劑材料能夠吸收所述可見光和/或紫外光以產生一個或多個單線態激子，該 單線態激子在所述磷光摻雜材料中轉化為所述第一三線態激子。
57.權利要求56的有機光敏光電器件，其中所述敏化劑材料具有嵌套在所述磷光摻雜 劑的單線態和三線態激子能級中的單線態和三線態激子能級。
58.權利要求53至57的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述基質材料選自含咔 唑材料、芳胺、四芳基苯二胺、低聚噻吩、亞苯基亞乙烯基類、低聚吡咯、四硫富瓦烯 及其衍生物、共軛半導體聚合物或聚合物的共混物、酞菁、卟啉、並苯和取代並苯、碳 納米管、配位化合物和有機金屬絡合物。
59.權利要求53至58的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述磷光摻雜材料選自 帶有原子序數大於40的重金屬離子的金屬卟啉和酞菁；帶有原子序數大於40的金屬離子 的有機金屬絡合物；和帶有原子序數小於40且系間竄越效率大於25%的金屬離子的金屬 絡合物。
60.權利要求56至57的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述敏化劑材料選自帶 有原子序數大於40的重金屬離子的金屬卟啉和酞菁；帶有原子序數大於40的金屬離子的 有機金屬絡合物；和帶有原子序數小於40且系間竄越效率大於25%的金屬離子的金屬絡 合物。
61.權利要求47至60的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述光導有機材料為施 主材料，其中所述施主材料與受主材料接觸以形成整流結。
62.權利要求61的有機光敏光電器件，其中Emm不低於所述受主材料的LUMO能。
63.權利要求62的有機光敏光電器件，其中Emm比所述受主材料的LUMO能高大約 50mV。
64.權利要求47至60的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述光導有機材料為受 主材料，其中所述受主材料與施主材料接觸，其中所述受主材料和所述施主材料形成整流結。
65.權利要求64的有機光敏光電器件，其中Emm不高於所述受主材料的HOMO能。
66.權利要求65的有機光敏光電器件，其中Emm比所述受主材料的HOMO能低大約 50mV。
67.權利要求61至66的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述施主材料包含選 自含咔唑材料、芳胺、四芳基苯二胺、低聚噻吩、亞苯基亞乙烯基類、低聚吡咯、四硫 富瓦烯及其衍生物、共軛半導體聚合物或聚合物的共混物、酞菁、卟啉、並苯和取代並 苯、碳納米管、配位化合物和有機金屬絡合物的材料。
68.權利要求61至67的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述受主材料包含選自 F16CoPc、F16ZnPc、NiTPP>四氰乙烯、四氰奎寧環及其衍生物、富勒烯、多環芳烴、 配位化合物和有機金屬絡合物的材料。
69.權利要求61至68的任何一項的有機光敏光電器件，其中所述施主材料和所述受 主材料形成平面整流結、混合異質結或本體異質結。
70.用於紅外輻射探測用有機光敏光電器件中的有機材料，其包含有機光導材料，該 有機光導材料包含基質材料、磷光摻雜材料和敏化劑材料，其中所述的敏化劑材料具有 (i)在Emm以下ΔΕ以內的激子能級，其中Emm為用於在所述光導有機材料中產生載荷子 的最低激發能，ΔΕ在電磁光譜的紅外區域內，和(i i)嵌套在所述磷光摻雜材料的單線 態和三線態激子能級中的單線態和三線態激子能級，並且其中所述磷光摻雜材料的所述 三線態激子能級在Emm以下Δ E以內。
71.用於紅外輻射探測用有機光敏光電器件的有機材料，其包含有機光導材料，該有 機光導材料包含基質材料和磷光摻雜材料，其中所述的基質材料具有(i)在Emm以下ΔΕ 以下ΔΕ以內的激子能級，其中Emm為用於在所述光導有機材料中產生載荷子的最低激發 能，ΔΕ在電磁光譜的紅外區域內，和(ii)嵌套在所述磷光摻雜材料的單線態和三線態激 子能級中的單線態和三線態激子能級，並且其中所述磷光摻雜材料的所述三線態激子能 級E在Emm以下ΔΕ以內。
72.權利要求70或71的有機材料，其中ΔΕ在大約0.1至大約1.7eV範圍內。
73.權利要求70至72的任何一項的有機材料，其中所述光導有機材料為施主材料， 其中所述有機材料進一步包含與所述施主材料接觸的受主材料以形成整流結。
74.權利要求73的有機材料，其中Emm不低於所述受主材料的LUMO能。
75.權利要求74的有機材料，其中Emm比所述受主材料的LUMO能高大約50mV。
76.權利要求70至72的任何一項的有機材料，其中所述光導有機材料為受主材料， 其中所述受主材料與施主材料接觸以形成整流結。
77.權利要求76的有機材料，其中Emm不高於所述受主材料的HOMO能。
78.權利要求77的有機材料，其中Emm比所述受主材料的HOMO能低大約50mV。
79.權利要求73至78的任何一項的有機材料，其中所述施主材料包含選自含咔唑材 料、芳胺、四芳基苯二胺、低聚噻吩、亞苯基亞乙烯基類、低聚吡咯、四硫富瓦烯及其 衍生物、共軛半導體聚合物或聚合物的共混物、酞菁、卟啉、並苯和取代並苯、碳納米 管、配位化合物和有機金屬絡合物的材料。
80.權利要求73至79的任何一項的有機材料，其中所述受主材料包含選自F16CoPc、 F16ZnPc、NiTPP>四氰乙烯、四氰奎寧環及其衍生物、富勒烯、多環芳烴、配位化合物和有機金屬絡合物的材料。
81.權利要求73至80的任何一項的有機材料，其中所述施主材料和所述受主材料形 成平面整流結、混合異質結或本體異質結。
82.用於紅外輻射成像的成像儀，其包含多個如權利要求47至69的任何一項中要求 的有機光敏光電器件。
83.權利要求82的成像儀，其中所述多個包含至少10、100、10000或IO6或更多個 所述有機光敏光電器件。
84.權利要求82或83的成像儀，其中每個所述有機光敏光電器件為1μ mX 1 μ m或 更小尺寸。
85.權利要求82至84的任何一項的成像儀，其中所述多個有機光敏光電器件形成可 單獨尋址的陣列。
全文摘要
本發明提供了用於探測紅外輻射的方法和有機光敏材料和器件。
文檔編號H01L51/44GK102017214SQ200980109668
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月19日 優先權日2008年3月19日
發明者M·E·湯普森, R·貝雷-薩爾茲曼, S·福裡斯特 申請人:南加利福尼亞大學, 密執安州立大學董事會