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波长探测器

阅读:419发布:2020-05-11

专利汇可以提供波长探测器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 属于 量子点 领域,具体涉及一种 波长 探测器。所述波长探测器包括层叠设置的 阳极 衬底和 阴极 ,以及设置在所述阳极衬底和阴极之间的量子点 薄膜 ,所述量子点薄膜由表面连接有硫醇配体的量子点组成。将本发明的波长探测器处于硫醇配体固液临界 温度 温度附近的变化范围内,就可以观测到波长探测器的光学特性的变化,进而得到环境中精确的波长 信号 ,该波长探测器不仅简单操作简单、易重复,而且能够增强波长探测的灵敏度。,下面是波长探测器专利的具体信息内容。

1.一种波长探测器,其特征在于,所述波长探测器包括层叠设置的阳极衬底和阴极,以及设置在所述阳极衬底和阴极之间的量子点薄膜,所述量子点薄膜由表面连接有硫醇配体的量子点组成。
2.如权利要求1所述的波长探测器,其特征在于,所述硫醇配体的固液临界温度Tm小于等于10℃。
3.如权利要求2所述的波长探测器,其特征在于,所述硫醇配体选自正丁硫醇、己硫醇、八硫醇、乙二硫醇、丁二硫醇和己二硫醇中的至少一种。
4.如权利要求1所述的波长探测器,其特征在于,所述阳极衬底与所述量子点薄膜之间还设置有空穴传输层。
5.如权利要求4所述的波长探测器,其特征在于,所述空穴传输层的材料选自为化镍、氧化钨、氧化钼、氧化铬、氧化、p型氮化镓、MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、自聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)、掺杂聚(全氟乙烯-全氟醚磺酸)的聚噻吩并噻吩、聚[N,N'-双(4-丁基苯基)-N,N'-双(苯基)联苯胺]和聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-共-(4,4'-(N-(4-仲丁基苯基)二苯胺))中的至少一种。
6.如权利要求1所述的波长探测器,其特征在于,所述量子点选自CdSe、PbSe、PbS、PbSe/CdSe、PbS/CdS、AgS、HgS、CdTe、CdTe/CdS、CdTe/CdZnS、InP、InP/ZnS和InP/ZnSeS中的至少一种。
7.如权利要求1所述的波长探测器,其特征在于,所述量子点薄膜的厚度为10-30nm。
8.如权利要求1所述的波长探测器,其特征在于,所述波长探测器所处的外界环境的温度为Tm±50℃。
9.如权利要求1所述的波长探测器,其特征在于,所述阳极衬底的材料选自ITO和TFO中的任意一种。
10.如权利要求1所述的波长探测器,其特征在于,所述阴极的材料选自Al、LiF/Al、Ca、Ba、Ca/Al、LiF/Ag、Ca/Ag、BaF2、BaF2/Al、BaF2/Ag、BaF2/Ca/Al、BaF2/Ca、Ag、Mg、CsF/Al和CsCO3/Al中的任意一种。

说明书全文

波长探测器

技术领域

[0001] 本发明属于量子点领域,具体涉及一种波长探测器。

背景技术

[0002] 红外探测器(Infrared Detector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波,人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱,必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来,红外辐射照射物体所引起的任何效应,只要效果可以测量而且足够灵敏,均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量,或者可用适当的方法转变成电量。然而对于探测器而言红外探测器的灵敏度非常重要尤其是在长波段,而在长波段往往探测器的吸收较弱,相对弱的吸收所产生的激子不能够迅速的进行传导转移。
[0003] 胶体半导体量子点的电学性质较为重要,其主要依赖胶体量子点表面的配体,采用不同的方法合成的胶体量子点,其表面所含的配体种类不同,这些配体对胶体量子点的分散性和表面电荷钝化非常关键。在利用胶体量子点制备光电器件时,需要将胶体量子点制备成量子点固态膜,同时根据器件需求也会将量子点固态膜的绝缘长链配体交换成短链配体,以改善量子点固态膜的传导性,短链配体能够显著改善量子点固态膜的电传导性。目前,配体对量子点固态膜影响的研究主要集中在量子点表面配体的化学性质上(如配体的官能团、配体的表面结合特性、配体分子的长度等),然而覆盖在量子点表面对配体分子的物理状态(即配体的宏观状态:固态或液态)对量子点固态膜的电学性质影响的研究还没报道。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种波长探测器,旨在解决现有对波长探测灵敏度低对技术问题。
[0005] 为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
[0006] 本发明一方面提供一种波长探测器,所述波长探测器包括层叠设置的阳极衬底和阴极,及设置在所述阳极衬底和阴极之间的量子点薄膜,所述量子点薄膜由表面连接有硫醇配体的量子点组成。
[0007] 本发明提供的波长探测器,根据量子点薄膜在硫醇配体固液临界温度Tm(即硫醇配体的熔点)上下时,量子点薄膜呈现出的光学特性会有一个可逆的过渡:即量子点薄膜低于硫醇配体固液临界温度Tm时,量子点薄膜的荧光强度会发生增强效应,同时发射波长也会恢复到溶液状态时的波长;当量子点薄膜温度高于Tm时,荧光强度会发生较大的淬灭并且发生红移效应(波长红移)。因此,可以利用该特性,将量子点薄膜用于波长探测器以探测环境中的波长,将硫醇配体对量子点进行表面修饰,然后将修饰过的量子点薄膜用于制备波长探测器,将该波长探测器置于硫醇配体固液临界温度附近(如Tm±50K)的变化范围内,就可以观测到波长探测器的光学特性的变化,进而得到环境中精确的波长信号。该波长探测器不仅简单操作简单、易重复,而且能够增强波长探测的灵敏度。附图说明
[0008] 图1本发明的波长探测器的结构示意图。

具体实施方式

[0009] 为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0010] 本发明实施例提供了一种波长探测器,如体1所示,所述波长探测器包括层叠设置的阳极、量子点薄膜和阴极,所述量子点薄膜由表面连接有硫醇配体的量子点组成。
[0011] 本发明实施例提供的波长探测器,根据量子点薄膜在硫醇配体固液临界温度Tm(即硫醇配体的熔点)上下时,量子点薄膜呈现出的光学特性会有一个可逆的过渡:即量子点薄膜低于硫醇配体固液临界温度Tm时,量子点薄膜的荧光强度会发生增强效应,同时发射波长也会恢复到溶液状态时的波长;当量子点薄膜温度高于Tm时,荧光强度会发生较大的淬灭并且发生红移效应(波长红移)。因此,可以利用该特性,将量子点薄膜用于波长探测器以探测环境中的波长,将硫醇配体对量子点进行表面修饰,然后将修饰过的量子点薄膜用于制备波长探测器,将该波长探测器置于硫醇配体固液临界温度附近(如Tm±50K)的变化范围内,就可以观测到波长探测器的光学特性的变化,进而得到环境中精确的波长信号。该波长探测器不仅简单操作简单、易重复,而且能够增强波长探测的灵敏度。
[0012] 具体地,针对激子波尔半径大于颗粒尺寸的一类量子点,利用短链的硫醇配体制备成量子点薄膜后,会随不同的温度处理发生的一些现象:即利用表面覆盖有巯基的硫醇的量子点制备成固态膜后,量子点表面的电荷捕获状态具有可逆行为。对该类量子点薄膜的研究发现,量子点薄膜低于硫醇配体固液临界温度Tm(量子点表面的硫醇配体从固态变为液体时的温度Tm,即硫醇配体的熔点)时,量子点薄膜的荧光强度会发生增强效应,同时发射波长也会恢复到溶液状态时的波长);当量子点薄膜温度高于Tm时,荧光强度会发生较大的淬灭并且发生红移效应(波长红移)。产生该效应的机制原理是表层配体分子与量子点表面形成的共价键如S-Pb的键能弱于内部晶体的Pb-S键能,因此处于流动的无序配体分子会带动表面金属原子一起流动(类似震动),处于流动状态的表层金属原子会造成带隙深能级捕获进而降低量子点固态膜的荧光强度;其主要原因是与量子点表面的配体分子随温度的变化(如77-337K,其中:T(K)=t(℃)+273.15;例如0K=-273.151℃)会从无序到有序过渡进而影响表面电荷捕获状态,当量子点表面的配体处于有序(固态)的状态时量子点固态膜的荧光强度要高于无序(液体)状态时的荧光强度(主要机制可理解为:处于有序状态的硫醇配体在量子点表面形成一种有机分子壳层,该壳层的带隙具有大于量子点带隙因此具有一定的量子点限域效应)。因此,利用该特性,将量子点薄膜用于制备成波长探测器以探测环境中的波长,将硫醇配体对量子点进行表面修饰,然后将修饰过的量子点薄膜用于制备波长探测器,将该波长探测器置于硫醇配体固液临界温度附近的变化范围内,就可以观测到波长探测器的光学特性的变化,进而得到环境中精确的波长信号。因此采用不同种类的硫醇配体(固液临界温度Tm不同),制备波长探测器能够探测不同的温度区间。具体地,在本发明实施例的波长探测器中,所述硫醇配体的固液临界温度Tm小于等于10℃。
[0013] 所述硫醇配体选自正丁硫醇、己硫醇、八硫醇、乙二硫醇、丁二硫醇和己二硫醇中的至少一种。所述硫醇配体所对应的固液临界温度为:正丁硫醇(157.5K)、己硫醇(192.6K)、八硫醇(224K)、乙二硫醇(232K)、丁二硫醇(219K)、己二硫醇(252K)。即该波长探测器可很好地适用于低温的环境。
[0014] 进一步地,所述波长探测器所处的外界环境的温度为硫醇配体的固液临界温度Tm±50K。该波长探测器在低温范围内,上述量子点薄膜的光学特性灵敏度加高。更进一步地,波长探测器所处的外界环境的温度为硫醇配体的固液临界温度Tm±30K,所述波长探测器在硫醇配体的固液临界温度Tm±10K范围内可更好地出现波长移动(即量子点与量子点的能量转移发生变化),因而波长探测器的灵敏度更加。
[0015] 进一步的,开始探测波长时,将波长探测器先置于低于硫醇配体固液临界温度Tm环境中。验证上述波长探测器灵敏度的测试方法为:将波长探测器置于低于量子点表面硫醇配体固液临界温度Tm时,环境中的波长(大于量子点带隙的激发波长)照射波长探测器,然后测试波长探测器电流为I1;而将波长探测器置于高于量子点表面硫醇配体固液临界温度Tm时,同样环境中的波长(大于量子点带隙的激发波长)照射波长探测器,然后测试波长探测器电流为I2。上述两种状态的波长探测器电流值的大小关系为I1>I2,因此波长探测器在低于量子点表面硫醇配体固液临界温度Tm时会改善器件的灵敏度。
[0016] 上述过程主要原理是:波长探测器处于量子点表面硫醇配体固液临界温度Tm(K)以下时,量子点薄膜中的硫醇处于有序的状态,量子点薄膜产生电子空穴对,相应地会增加提高了器件电流,反之高于量子点表面硫醇配体固液临界温度Tm(K)时则具有相反的状态。
[0017] 进一步地,其特征在于,所述阳极衬底与所述量子点薄膜之间还设置有空穴传输层,所述空穴传输层的材料选自为化镍、氧化钨、氧化钼、氧化铬、氧化、p型氮化镓、MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、自聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)、掺杂聚(全氟乙烯-全氟醚磺酸)的聚噻吩并噻吩、聚[N,N'-双(4-丁基苯基)-N,N'-双(苯基)联苯胺]和聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-共-(4,4'-(N-(4-仲丁基苯基)二苯胺))中的至少一种。所述量子点选自CdSe、PbSe、PbS、PbSe/CdSe、PbS/CdS、AgS、HgS、CdTe、CdTe/CdS、CdTe/CdZnS、InP、InP/ZnS和InP/ZnSeS中的至少一种,其中“/”表示为核壳结构的量子点。
[0018] 进一步地,所述阳极衬底的材料选自ITO和TFO中的任意一种,所述阴极的材料选自Al、LiF/Al、Ca、Ba、Ca/Al、LiF/Ag、Ca/Ag、BaF2、BaF2/Al、BaF2/Ag、BaF2/Ca/Al、BaF2/Ca、Ag、Mg、CsF/Al和CsCO3/Al中的任意一种,其中“/”表示复合材料
[0019] 进一步地,该波长探测器中的量子点薄膜的制备方法,包括如下步骤:
[0020] S01:提供初始量子点溶液,所述初始量子点溶液中含有表面结合有初始配体的量子点;
[0021] S02:将所述初始量子点溶液沉积在基片上,得到初始量子点薄膜;
[0022] S03:提供含有硫醇配体的分散液,将所述初始量子点薄膜置于所述分散液中进行浸泡处理,得到所述量子点薄膜。
[0023] 进一步的,步骤S01中,初始量子点溶液的制备方法采用常规的油相法制备得到。其中的量子点的尺寸大小范围1-10nm,量子点的波尔半径大于量子点的颗粒尺寸。量子点的波尔半径的客观范围为10-50nm,该区间的取值不是连续的,相应的取值是对应上述不同种类的量子点。所述的量子点为CdSe、PbSe、PbS、PbSe/CdSe、PbS/CdS、AgS、HgS、CdTe、CdTe/CdS、CdTe/CdZnS、InP、InP/ZnS、InP/ZnSeS等,但不限于此,其中“/”表示核壳结构量子点。
进一步的,所述量子点为油溶性量子点,量子点表面连接初始配体即油溶性配体,所述初始配体为油溶性长链配体,如油酸(OA)、油胺(OAm)三辛基磷(TOP)、三辛基氧磷(TOPO)等不限于此。初始量子点溶液的制备温度范围为100-380℃,制备环境为惰性气体氛围,最终,初始量子点溶液制备成浓度为10-40mg/mL的量子点溶液。
[0024] 进一步地,上述步骤S02中,用涂布或印刷的方式沉积制备一层初始量子点薄膜。此时,初始量子点溶液的浓度范围可以为10-40mg/mL,所述初始量子点薄膜的厚度范围可以为10-30nm,所述初始量子点薄膜的制备环境为惰性气体氛围。
[0025] 进一步地,在步骤S03中,在所述浸泡处理之后,还包括将所述量子点薄膜置于极性溶剂中进行清洗的步骤。
[0026] 具体地,所述极性溶剂与所述分散液中的溶剂相同,选自乙醇、甲醇和乙腈中的至少一种;所述清洗的时间为10-30min。在所述浸泡处理之后,还包括将所述量子点薄膜进行干燥的步骤。所述干燥的温度为60-150℃,所述干燥的时间为10-30min。
[0027] 所述硫醇配体的浓度范围为0.05-0.2mmol/mL,硫醇配体的目的是将量子点表面的油相配体给交换掉,将经过硫醇配体修饰的量子点薄膜再次浸泡在不含有硫醇配体的极性溶剂中进行清洗,所述量子点薄膜的浸泡时间范围为10-30min,所述极性溶剂目的是对交换后的量子点薄膜进行清洗,去除表面多余的修饰剂。
[0028] 更进一步地,在所述浸泡处理之后,还包括将所述量子点薄膜进行干燥的步骤。所述干燥的温度为60-150℃;所述干燥的时间为10-30min。所述干燥处理是将进行清洗过的量子点固态膜采用一定的热处理范围进行干燥。进一步地,可对上述清洗、干燥流程重复制备,效果更佳。
[0029] 本发明先后进行过多次试验,现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述,下面结合具体实施例进行详细说明。
[0030] 实施例1
[0031] PbS量子点的制备如下:
[0032] 1)油酸铅{Pb(OA)2}前躯体的制备:
[0033] 取0.6mmol的三醋酸铅、2mL油酸(OA)、10mL十八稀(ODE)加入到三口烧瓶中,先常温排气20min,然后温度升高到150℃搅拌30min后温度降低至120℃。
[0034] 2)硫(S)前躯体的制备:
[0035] 称4mmol的S加入到6mL的三辛基氧磷(TOP)中,加热到170℃维持30min,然后降温到140℃。
[0036] 3)将1)中的混合液温度升高到150℃后,取2mL的硫(S)前躯体快速注入到烧瓶内反应10min,迅速取出加热套待混合液温度冷去至室温后通过添加萃取剂和沉淀剂进行离心分离清洗得到油溶性PbS近红外量子点并做干燥处理,然后将干燥的油溶性量子点分散在正己烷中制备成浓度为30mg/mL的溶液,其表面的配体是油酸(OA)。
[0037] 实施例2
[0038] 利用乙二硫醇修饰量子点固态膜如下:
[0039] 1)取适量的乙二硫醇分散在乙醇中采用微热(<60℃)的方式使固态的乙二硫醇完全分散制备成浓度为0.1mmol/mL的溶液。
[0040] 2)取上述实施例1中制备的PbS量子点采用印刷或涂布的方式制备一层固态膜,然后将该量子点固态膜浸泡在上述1)中含乙二硫醇的溶液中浸泡30min。
[0041] 3)将浸泡过含有的乙二硫醇溶液的PbS量子点固态膜再次浸泡在不含有乙二硫醇的乙醇溶液中30min,然后取出进行80℃的热处理退火干燥。
[0042] 实施例3
[0043] 利用利用乙二硫醇修饰量子点固态膜制备一种波长探测器,如图1所示。
[0044] 1)在透明阳极衬底上依次制备空穴传输层、量子点层、电极;其中量子点层是采用上述实施例2的制备流程得到的量子点薄膜。
[0045] 2)然后将波长探测器件分别置于一定波长的环境中,环境温度开始从200K慢慢升温至260K温度值时,测试波长探测器两个对应温度的电流信号I1和I2,观测到I1
[0046] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,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。
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