多像素有机柔性透明近红外图像传感器及其制备方法

1.本公开涉及柔性电子器件技术领域，尤其涉及一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器及其制备方法。


背景技术：

2.超高像素柔性图像传感器因其具有便携、可穿戴、可显示高分辨图案的众多优势，在生物医学、视觉模拟、人眼视力恢复和治疗方面有着很广阔的应用前景。
3.目前，柔性图像传感器的电极一般为金电极，然而，由于金电极由金颗粒组成，其表面较为粗糙，且其表面无悬挂键，导致金电极与柔性图像传感器的光敏材料的接触面积相对较小，进而导致柔性图像传感器的性能降低。因此，有必要开发一种具有高透明度的柔性近红外光电探测器阵列作为图像传感器，以进一步扩展其应用范围，满足人们的实际需要。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提供了一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器及其制备方法，可以优化现有柔性图像传感器存在的问题。
5.本公开的一个方面提供了一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器，包括：ti3c2t
x mxene叉指电极阵列；ran薄膜，覆盖在所述ti3c2t
x mxene叉指电极阵列上；其中，所述ti3c2t
x mxene叉指电极阵列与所述ran薄膜之间形成范德华有机无机异质结和氢键，使二者接触紧密。
6.根据本公开的实施例，所述ti3c2t
x mxene叉指电极阵列的电极密度大于80个每平方厘米。根据本公开的实施例，所述ti3c2t
x mxene叉指电极阵列的电极透明度为70％-85％。
7.根据本公开的实施例，所述多像素有机柔性透明近红外图像传感器的厚度不大于3μm。
8.本公开的另一个方面提供了一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器制备方法，包括：清洗柔性衬底；在所述柔性衬底上光刻形成叉指电极阵列图形；将ti3c2t
x mxene材料旋涂于所述柔性衬底上，进行干燥后，将成型的ti3c2t
x mxene叉指电极阵列剥离；将ran材料旋涂于所述ti3c2t
x mxene叉指电极阵列上，进行干燥后，得到多像素有机柔性透明近红外图像传感器。
9.根据本公开的实施例，所述清洗柔性衬底包括：依次使用乙醇、去离子水超声清洗所述柔性衬底10min。
10.根据本公开的实施例，所述将ti3c2t
x mxene材料旋涂于所述柔性衬底上，进行干燥后，将成型的ti3c2t
x mxene叉指电极阵列剥离包括：
11.在丙酮溶液中剥离所述ti3c2t
x mxene叉指电极阵列。
12.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
13.(1)利用ti3c2t
x mxene表面的-oh基团，可以在其本身与ran形成范德华有机无机异质结的同时，形成额外的氢键，使二者接触的更加紧密，从而提高器件的光响应；
14.(2)基于ran良好的柔韧性、透光性，可实现ran薄膜在电极区域的均匀覆盖，利用ran薄膜的均匀连续性，使传感器实现多像素点成像成为了可能；
15.(3)具有良好柔韧性的衬底及材料使得器件可在不断的弯曲循环后，依旧保持性能的相对稳定，具有良好的可弯曲特性；
16.(4)制备该传感器的电极比制备金电极的时长短，操作更简单，材料成本更低；
17.(5)本公开提供的多像素有机柔性透明近红外图像传感器，其ti3c2t
x mxene叉指电极相比于金电极具有更高的透明度，从而可以扩宽其应用范围。
附图说明
18.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
19.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器的示意图；
20.图2a示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器与金电极光电探测器的开关比对比图；
21.图2b示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器与金电极光电探测器的开关比的动态循环对比图；
22.图2c示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器与金电极光电探测器的开关比随不同光功率密度变化对比图；
23.图3a示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器的i-t测试曲线示意图；
24.图3b示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器的光电流和暗电流变化测试曲线示意图；
25.图4示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器的成像示意图。
具体实施方式
26.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
27.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
28.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
29.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器的示意图。
30.如图1所示，本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器包括：ti3c2t
x mxene叉指电极阵列2；ran薄膜3，覆盖在所述ti3c2t
x mxene叉指电极阵列2上。
31.由于ti3c2t
x mxene表面具有-oh基团，可以在其本身与ran薄膜3之间形成范德华有机无机异质结，同时形成额外的氢键，使二者接触紧密，从而提高器件的光响应。
32.ran(全名为无规共聚-4-(3-(2-辛基十二烷基)-3
′
，4
″‑
双(辛氧基)-5
′‑
(碲吩-2-基)-[2，2
′
：5
′
，2
′‑
三噻吩]-5-基)-8-(4-(2-辛基十二烷基)噻吩-2-基)-112，312-苯并[1，2-c4，5-c
′
]双([1，2，5]噻二唑))，是一种新型的有机柔性材料，具有良好柔韧性、透光性、均匀连续性，将ran应用于柔性图像传感器，可以解决如感光材料不均匀、器件阵列无法大规模制备、器件机械性能差、阵列透明度较低等问题。ran还具有近红外感光特性，当ran受光激发时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，即形成非平衡载流子，导致材料的电导率发生变化，即光电导效应。以ran制备ti3c2t
x mxene叉指电极阵列的表面薄膜3，ran活性材料均匀覆盖于每个像素点，且电极材料及衬底的选择使器件透明度大大提高，使实现多像素点成像成为了可能。
[0033]
根据本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器，所述ti3c2t
x mxene叉指电极阵列2的电极密度大于80个每平方厘米，电极透明度为70％-85％，该传感器的厚度不大于3μm。
[0034]
本公开实施例提供的多像素有机柔性透明近红外图像传感器，其ti3c2t
x mxene电极由二维纳米片堆叠而成，相比金电极具有更大且更光滑的表面，使得ti3c2t
x mxene电极与ran薄膜之间的范德华力作用更大，且ti3c2t
x mxene表面具有官能团，存在可以与ran材料之间形成额外的键的可能，进一步强化两者的接触，从而使得基于ti3c2t
x mxene电极和ran薄膜组成的光电探测器具有更好的性能。该传感器还具有良好柔韧性，使得器件可在不断的弯曲循环后，依旧保持性能的相对稳定，可以为生物仿生视觉、可穿戴精确图像传感提供了新的发展方向。此外，由于ti3c2t
x mxene电极具有很高的透明度，使该图像传感器的应用范围可以得到更多扩展。
[0035]
本公开实施例提供了一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器制备方法，包括步骤s100～s400。
[0036]
s100，清洗柔性衬底。
[0037]
在本公开实施例中，柔性衬底(图1中1所指示的结构)为聚对苯二甲酸乙二醇酯(简称pet)材料，依次使用乙醇、去离子水超声清洗所述柔性衬底10min。
[0038]
s200，在所述柔性衬底上光刻形成叉指电极阵列图形。
[0039]
用半导体微加工工艺，包括匀胶、坚膜、曝光、显影等步骤，在准备好的pet衬底上进行光刻叉指电极阵列图形。
[0040]
s300，将ti3c2t
x mxene材料旋涂于所述柔性衬底上，进行干燥后，将成型的ti3c2t
x mxene叉指电极阵列剥离。
[0041]
将具有丰富表面官能团的高导电性二维ti3c2t
x mxene材料通过旋涂的方式，涂覆在光刻好的pet衬底上，在真空干燥箱中将水分蒸发后，将器件在丙酮中进行剥离，制备出柔性透明ti3c2t
x mxene电极阵列。
[0042]
s400，将ran材料旋涂于所述ti3c2t
x mxene叉指电极阵列上，进行干燥后，得到多像素有机柔性透明近红外图像传感器。
[0043]
通过蒸馏法纯化得到具有良好柔韧性和透光性的有机物ran，将其旋涂到柔性透明ti3c2t
x mxene电极阵列上，再次真空干燥，实现在指定区域大范围均匀成膜。
[0044]
其中，ran材料可以通过以下方法制备，包括步骤s010～s050。
[0045]
s010，将4，8-双(5-溴-4-(2-辛基十二烷基)噻吩-2-基)-112，312-苯并[1，2-c：4，5-c
′
]双([1，2，5]噻二唑)，(4，4
′‑
双(辛氧基)-[2，2
′‑
联噻吩]-5，5
′‑
二基)双(三甲基锡烷)和2，5-双(三甲基甲锡烷基)碲吩溶解在氯苯中。
[0046]
s020，用氮气鼓泡15分钟后，添加pd2(dba)3和p(o-tol)3至溶液中。让溶液回流2天，颜色由蓝色变为棕色。
[0047]
s030，溶液冷却至室温后，加入甲醇。
[0048]
s040，通过过滤收集沉淀物并通过依次使用丙酮、正己烷、四氢呋喃和氯仿的索氏提取纯化。
[0049]
s050，将氯仿部分浓缩并用甲醇再沉淀。
[0050]
重复步骤s040～s050，收集ran沉淀物，并在真空干燥箱中干燥得到ran固体粉末。
[0051]
基于上述方法，制备该传感器的电极比制备金电极的时长短，操作更简单，材料成本更低。
[0052]
实施例一
[0053]
图2a～2c示出了多像素有机柔性透明近红外图像传感器与金电极光电探测器的性能比较示意图。
[0054]
图2a示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器与金电极光电探测器的开关比对比图。
[0055]
如图2a所示，用波长及光功率密度依次为915nm(57.3mw/cm2)、1064nm(159mw/cm2)、1122nm(15.6mw/cm2)的三束激光照射，两种器件均有响应，但ti3c2t
x-ran光电探测器在不同波长下的开关比均高于au-ran光电探测器，特别的，在1064nm的激光照射下，两者开关比之比可达6.25倍。
[0056]
图2b示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器与金电极光电探测器的开关比的动态循环对比图。
[0057]
如图2b所示，在波长为915nm、1064nm及1122nm的激光照射下，ti3c2t
x mxene电极光电探测器与金电极光电探测器在相同光敏材料ran下，ti3c2t
x-ran光电探测器在近红外区域内具有更高的开关比。
[0058]
图2c示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器与金电极光电探测器的开关比随不同光功率密度变化对比图。
[0059]
如图2c所示，在波长为1064nm的激光照射下，两种器件开关比随不同光功率密度的变化关系。由图可知，无论电极种类如何，器件的开关比均随着光功率密度的减弱而变小，但ti3c2t
x-ran光电探测器在不同光功率密度下的开关比，仍然大于au-ran光电探测器。
[0060]
实施例二
[0061]
良好的透明度、便携性、在弯曲及多次弯曲形变后仍具有优异的电稳定性是扩宽光电探测器应用领域的重要因素，图3a～图3b示出了验证ti3c2t
x-ran光电探测器这些性能
的试验结果。
[0062]
图3a示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器的i-t测试曲线示意图。
[0063]
如图3a所示，通过改变1维平移工作台两端的距离，将器件弯曲0
°
、30
°
、60
°
、90
°
、120
°
、150
°
后，测量ti3c2t
x-ran光电探测器的i-t曲线，从测试结果可以看出，弯曲后光电流及暗电流值仅在很小的范围内正常波动，由此可以表明，ti3c2t
x-ran光电探测器具有良好的可靠性和机械灵活性。
[0064]
图3b示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器的光电流和暗电流变化测试曲线示意图。
[0065]
如图3b所示，若将ti3c2t
x-ran光电探测器从0
°
弯曲至120
°
后又恢复到0
°
定义为一次弯折，记录每50次弯曲后的光电流和暗电流值，器件共经历了5000次弯曲，在5000次循环后，器件仅在极其微小的范围内波动，从而表现出诱人的灵活性、耐折性和稳定性。
[0066]
实施例三
[0067]
实验在尺寸为4cm
×
4em的pet衬底上制作了50
×
50的ti3c2t
x-ran光电探测器阵列，为了输出图案，从器件阵列中区域性选取了1024个像素点(32
×
32)集成到柔性图像传感器中。用1064nm(159mw/cm2)的激光进行照射，记录每个像素点的暗电流和0.1v时的光电流，将其比值作为一个检测信号。
[0068]
图4示意性示出了本公开实施例提供的一种多像素有机柔性透明近红外图像传感器的成像示意图。
[0069]
如图4所示，上千的像素点使成像更加清晰，小鹿图案更加生动形象和细腻，优秀的成像能力表明ti3c2t
x-ran图像传感器具有较为优异的传感能力。
[0070]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0071]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。