酞菁铜纳米线光电性能研究.pdf

云南民族大学学报（自然科学版），（）：收稿日期：基金项目：云南省教育厅科学研究基金（，）作者简介：郭梦轲（），男，硕士研究生 主要研究方向为有机光电材料通信作者：郭婷婷（），女，助理研究员 主要研究方向为光电纳米材料酞菁铜纳米线光电性能研究郭梦轲，李成晗，史艳姝，王吉乐，郭婷婷（昆明学院 化学化工学院 云南省金属有机分子材料与器件重点实验室，云南 昆明 ；昆明学院物理科学与技术学院，云南 昆明 ）摘要：纳米级材料具有更强的光电探测性能 将制备的酞菁铜纳米线涂层在叉指电极上，系统研究了酞菁铜纳米线的光电探测性能，发现其是一种具有高响应度的光电探测材料 使用扫描电子显微镜、线衍射、傅里叶变换红外光谱和紫外 可见光谱对酞菁铜纳米线的形貌和结构进行了表征 文中制备的酞菁铜纳米线的晶体结构为 相 通过光电性能测试，酞菁铜纳米线表现出比原料更优异的光响应 使用 太阳模拟器作为光源（），在所有偏置电压下，酞菁铜纳米线都有明显的光响应，而酞菁铜原料的光暗电流极不稳定 在紫光（）、蓝光（）、绿光（）、红光（）照射条件下，酞菁铜纳米线的光响应度远高于酞菁铜原料，是原料的 、倍 酞菁铜纳米线相比于原料更为优异的光电特性为其在光电探测器方面的深入研究提供了基础关键词：酞菁铜；纳米线；光响应度；气相沉积；光电探测器中图分类号：文献标志码：文章编号：（）近年来，有机小分子化合物广泛应用于有机发光二极管 、有机场效应晶体管 和有机太阳能电池 等领域 有机小分子材料与无机材料明显的区别表现在自身具有晶体结构可调节性 基于自身特性通过简单的气相沉积能够得到具有特定形貌的线状、棒状或球状纳米结构，进而提供更高的载流子迁移率小分子具有确定的分子结构和分子量，便于合成，极大地提高了制造的可重复性 在高度稳定的 共轭体系中，金属酞菁（）配合物在光电探测领域具有突出优势的材料，因为它们表现出高的热稳定性和化学稳定性、高效的光吸收和成本效益 并且金属酞菁表现出优异的电荷传输特性以及广泛可调的吸收波长区域 ，使得他们在光电探测领域具有广阔的前景酞菁铜具有不溶于一般有机溶剂的特性，广泛应用于材料的着色领域，其良好耐热、耐酸、耐碱的化学稳定性已在实际生活中得到广泛的应用 酞菁铜相比于大多数有机材料不容易暴露在氧气和水蒸气中降解，降低了环境封装要求，实现可接受的设备寿命 作为一种 型有机半导体，常用于有机发光二极管、有机太阳能电池和有机场效应晶体管 金属铜取代酞菁环内中心的 个氢原子后形成酞菁铜有机小分子 大共轭结构的酞菁铜，电子禁带宽度小，对 范围内的波长有较强的吸收 在充足的光照条件下酞菁铜能够吸收能量发生跃迁并产生载流子，这种光生载流子在电场的作用下发生定向移动，产生光电流目前为止，有机光电探测器已经取得了很大的进展，在某些方面已经可以与传统的光电探测器进行比较，它们在便携式和可穿戴设备中具有潜在的应用前景 但仍存在一些需要克服的问题，有很大的新发展空间 人们正通过不断研究以制备出性能更优良的光电探测器近年来人们已经认识到形貌对于提高材料光电探测性能的重要作用 等 使用多滴浇铸法制备了酞菁铜薄膜并对其光电性质进行了研究，所制备的薄膜相对于 原料具有较高的响应度（）和较低的暗电流（）等 通过气相沉积法制备了具有高质量 纳米线的宽带光电探测器，克服了 在形成一维材料时的团聚作用 实现了从紫外（）到近红外（）的宽带光谱光响应 此外，光电探测器表现出相当大的 响应率、的高外量子效率、的灵敏度和短响应时间上升和衰减过程分别约为 和 在光伏 、电催化 和电子器件 领域纳米材料已经被广泛应用 其独特的传导性能和优良的可弯曲性能为制备可穿戴式光电探测器提供了可能性本文将制备的酞菁铜纳米线涂层在叉指电极上，系统研究了酞菁铜纳米线的光电探测性能，发现其是一种具有高响应度的光电探测材料采用不同偏置电压（、）对酞菁铜纳米线和原料进行光响应测试，同时研究了酞菁铜纳米线和原料在不同波长（）下的光响应 酞菁铜纳米线光暗电流变化为 （，），在 紫 光（）、蓝 光（）、绿 光（）、红光（）照射条件下，酞菁铜纳米线的灵敏度远高于酞菁铜原料，是原料的 、倍 酞菁铜纳米线相比于原料更为优异的光电特性为其在光电探测器方面的深入研究提供了基础 实验部分 材料及制备酞菁铜（吉林奥来德光电材料股份有限公司，升华品）、无水乙醇（天津市风船化学试剂科技有限公司，分析纯）、叉指电极（晟利（南京）化学科技有限公司，柔性 ）、高纯氮气（昆明鹏翼达气体产品有限公司，纯度 ）在气相沉积系统的石英管壁上均匀涂抹 的酞菁铜原料，并通入载气（），流 速 在氮气环境中，将酞菁铜原料以阶梯升温的方式加热至目标温度（），并在 的温度下加热 ，阶梯升温速率为 、酞菁铜原料在高温下升华为气体小分子，在氮气的作用下运输到低温区域并自组装形成产物纳米线 实验仪器采用日立 型扫描电子显微镜（）采集图像 使用岛津 仪器进行 线衍射（）图谱分析 使用 型傅里叶红外吸收光谱仪研究酞菁铜晶体结构的演变 使用日立 紫外 可见光谱仪（）进行紫外吸收光谱分析 使用 数字电源表进行光电探测实验 酞菁铜纳米线光电探测器的制备将 酞菁铜纳米线涂在叉指电极上，并滴上无水乙醇使其分散，随后在真空干燥箱中烘干 在太阳模拟光为 （）和偏置电压分别为（、）的条件下进行光电探测实验 在相同偏执电压（）下，选择不同波长的光源，如：紫光（）、蓝光（）、绿光（）、红光（）进行光电探测实验 形貌及结构分析对原料和酞菁铜纳米线进行 表征 如图 、所示，原料的形貌和尺寸都发生了改变，通过气相沉积法将酞菁铜原料由不均匀的微米片状结构制备为相互交错的纳米线结构（）酞菁铜原料（）酞菁铜纳米线图 图为了进一步确定产物的晶体结构，对酞菁铜纳米线和原料进行了 表征，如图 所示 酞菁铜纳米线与原料相比在 处出现了一个新的峰，表明酞菁铜晶体结构完成了向 相的转变 由酞菁铜纳米线的红外吸收光谱（图 ）可知 和 处的弱吸收峰归属为苯环骨架的弯曲振动，、和 处的吸收峰归属为苯环面外 变形，和 处的吸收峰云南民族大学学报（自然科学版）第 卷归属为苯环面内 弯曲振动，处的强吸收峰归属为酞菁环 伸缩振动，、和 中强吸收峰归属为酞菁环 拉伸和震动 对酞菁铜纳米线和酞菁铜原料的红外吸收峰进行比较，峰的位置基本一致，这一结果表明酞菁铜纳米线的分子结构没有发生变化图 酞菁铜纳米线的 线衍射谱图 酞菁铜纳米线的红外吸收光谱酞菁铜纳米线的紫外可见吸收光谱，如图 所示 在 处有强烈的 带吸收，在 和 处有强烈的 带吸收 酞菁铜纳米线在紫外检测中相比于酞菁铜原料发生了明显的红移，降低了从 能级向 能级跃迁时所需的能量，使材料更容易被激发 这一现象预示着酞菁铜纳米线在光电探测方面有潜在的应用价值图 酞菁铜纳米线紫外 可见吸收光谱 光电探测器通过对酞菁铜纳米线和原料进行光响应测试，探究酞菁铜纳米线在光电探测器方面的性能 酞菁铜纳米线的电流 电压（）曲线，如图 所示 在 太阳模拟器的照射下（），酞菁铜纳米线光暗电流的差值随电压的增加而增加 对比不同偏置电压（、）下酞菁铜纳米线和原料光响应的差别 如图 、所示，在所有偏置电压下，酞菁铜纳米线有明显的光响应（图 ），而酞菁铜原料光暗电流极不稳定（图 ）酞菁铜纳米线进行 的光响应测试后，在低电压下电流整体表现出稳定性，在高电压下电流整体表现出上升趋势，但在光暗电流的变化方面基本一致（）在完全黑暗的条件下，光电探测器件的 （）酞菁铜纳米线（）酞菁铜原料图 在光电流为 太阳模拟器中测量响应（光强：）第 期郭梦轲，李成晗，史艳姝，等：酞菁铜纳米线光电性能研究为研究单色光影响下酞菁铜纳米线和原料的光响应，采用不同波长（）的光源进行光响应测试 如图 所示，酞菁铜纳米线在蓝光（）下光响应电流最好，光暗电流变化为 ，在绿光（）下光响应电流最弱，但仍可达到 （图 ）酞菁铜原料在蓝光（）下光响应最好，光暗电流变化为 ，在紫光下光响应最弱，电流变化仅为 （图 ），可见酞菁铜纳米线的光暗电流变化远远高于酞菁铜原料（）酞菁铜纳米串（）酞菁铜原料图 在 、（偏置电压：）的光响应光响应度 是衡量光电探测性能的重要影响因素，其公式为 ，（）其中，为光响应度，是光照下产生的电流，是暗电流，是入射光功率由图 、可知，在紫光（）、蓝光（）、绿光（）、红光（）照射条件下，酞菁铜纳米线光电探测器的电流变化分别为 、酞菁铜原料也存在光响应，但电流变化远低于酞菁铜纳米线 通过公式（）计算出酞菁铜纳米线在紫光（）、蓝光（）、绿光（）、红光（）照射条件下光响应度分别为 、在紫光（）、蓝光（）、绿光（）、红光（）照射条件下，酞菁铜纳米线的光响应度远高于酞菁铜原料，是原料的 、倍（）紫光（）（）蓝光（）（）绿光（）（）红光（）图 响应特性曲线云南民族大学学报（自然科学版）第 卷由上述可知，酞菁铜纳米线在不同电压及光源下的光响应都明显优于原料，导致这一现象的原因是酞菁铜纳米线相较于原料形貌、尺寸和结构均发生改变 酞菁铜纳米线的尺寸达到纳米级，并且形成了相互交织且密集的网状结构，这种结构对传导过程中载流子的传输非常有利 但考虑到测试环境限制，如分散剂、光强和纳米线与金电极粘合状态等因素，酞菁铜纳米线在光电探测领域仍有很大的探索空间 结语通过气相沉积法使微米片状形貌的酞菁铜原料完成自组装，制备了相互交错的纳米线结构，确定为相酞菁铜，并对酞菁铜纳米线和酞菁铜原料进行光电探测研究，其表现出高响应度的光电探测性能使 用 太 阳 模 拟 器 作 为 光 源（），在所有偏置电压下，酞菁铜纳米线都有明显的光响应，而酞菁铜原料的光暗电流极不稳定 在偏置电压为 的条件下，酞菁铜纳米线在绿光（）下电流变化最弱，但仍可达到 而酞菁铜原料最大电流变化仅为 （蓝 光 ）在 紫 光（）、蓝光（）、绿光（）、红光（）照射条件下，酞菁铜纳米线的光响应度远高于酞菁铜原料 酞菁铜纳米线在光电性能方面表现出的巨大潜能为酞菁铜纳米线在光电探测器等多个领域的应用奠定了基础参考文献：，（）：，（）：，（），（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，爦，爦 ，：，（）：，（）：，（）：第 期郭梦轲，李成晗，史艳姝，等：酞菁铜纳米线光电性能研究 ，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（，；，）：，（），（），（），（）（），：；（责任编辑王煜丹）云南民族大学学报（自然科学版）第 卷