Влияние технологических параметров формирования фоточувствительных структур на основе фталоцианина металла при использовании нефуллеренового акцептора на их характеристики

Павлова М.Д., Хоршев Н.А., Ламкин И.А., Дегтерев А.Э., Зорин И.А., Тарасов С.А.

Ссылка для цитирования:

Павлова М.Д., Хоршев Н.А., Ламкин И.А., Дегтерев А.Э., Зорин И.А., Тарасов С.А. Влияние технологических параметров формирования фоточувствительных структур на основе фталоцианина металла при использовании нефуллеренового акцептора на их характеристики // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 1. С. 80–89. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2025-92-01-80-89

Pavlova M.D., Khorshev N.A., Lamkin I.A., Degterev A.E., Zorin I.A., Tarasov S.A. The technological parameters influence of the photosensitive structures formation based on metal phthalocyanine using a non-fullerene acceptor on their characteristics [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 1. P. 80–89. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-01-80-89

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Фоточувствительные структуры с планарным гетеропереходом на основе фталоцианина меди и 3,4,9,10-перилентетракарбоксил диангидрида. Цель работы. Формирование органических фоточувствительных структур на основе фталоцианина металла и нефуллеренового акцептора. Метод. Для создания фоточувствительных структур использован метод вакуумного термического осаждения. Для исследования полученных структур были измерены спектры поглощения и фототока. Основные результаты. Определены оптимальные параметры создания органических фоточувствительных структур с использованием нефуллеренового акцептора. Показано, что оптимальными температурами нагрева подложек, влияющими на качество осажденных слоев, являются 60 °С для фталоцианина меди и 55 °С для 3,4,9,10-перилентетракарбоксил диангидрида. Установлено, что основной вклад в фотоотклик структуры вносит генерация носителей заряда во фталоцианине меди. Определено влияние массы испаряемого донора на спектры фоточувствительности структур. Исследуемые структуры демонстрируют отклик в диапазоне энергий от 1,35 до 2,45 эВ. Практическая значимость. Результаты работы могут быть применены в разработке фотоприемников на основе органических материалов видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра для систем связи, визуализации, спектроскопии, медицинской диагностики и др. Кроме того, разрабатываемые структуры обладают меньшей стоимостью по сравнению с устройствами на основе классических неорганических полупроводников.

Ключевые слова:

органические фоточувствительные структуры, нефуллереновый акцептор, вакуумное термическое осаждение, фталоцианин меди, 3,4,9,10-перилентетракарбоксил диангидрид

Коды OCIS: 160.4890, 040.5350, 040.5160

Список источников:

1. Virt I. Recent advances in semiconducting thin films // Coatings. 2023. V. 13. № 1. P. 79. https://doi.org/ 10.3390/coatings13010079
2. Sawatzki-Park M., Wang H., Kleemann S.J., et al. Highly ordered small molecule organic semiconductor thin-films enabling complex, high-performance multi-junction devices // Chem. Rev. 2023. V. 123. № 13. P. 8232–8250. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00844
3. Kiebooms R., Menon R., Lee K. Handbook of advanced electronic and photonic materials and devices. Chapter 1 — Synthesis, electrical, and optical properties of conjugated polymers. Academic Press, 2001. V. 8. 126 p. https://doi.org/10.1016/b978-012513745-4/50064-0
4. Gong H., Lin J., Sun H. Nanocrystal array engineering and optoelectronic applications of organic small-molecule semiconductors // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 14. P. 2087. https://doi.org/10.3390/nano13142087
5. Kaienburg P., Jungbluth A., Habib I., et al. Assessing the photovoltaic quality of vacuum-thermal evaporated organic semiconductor blends // Adv. Mater. 2022. V. 34. № 22: Organic Semiconductors. P. 2107584. https://doi.org/10.1002/adma.202107584
6. Teichler A., Perelaer J., Schubert U.S. Inkjet printing of organic electronics — comparison of deposition techniques and state-of-the-art developments // Mater. Chem. C. 2013. № 10. P. 1910–1925. https://doi.org/ 10.1039/c2tc00255h
7. Rivadeneyra A., López-Villanueva J.A. Recent advances in printed capacitive sensors // Micromachines. 2020. V. 11. № 4. P. 367. https://doi.org/10.3390/ mi11040367
8. Anabestani H., Nabavi S., Bhadra S. Advances in flexible organic photodetectors: Materialsand applications // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 21. P. 367. https://doi.org/10.3390/nano12213775
9. Han J., Qi J., Zheng X., et al. Low-bandgap donor-acceptor polymers for photodetectors with photoresponsivity from 300 nm to 1600 nm // Mater. Chem. C. 2017. V. 5. № 1. P. 159–165. https://doi.org/10.1039/c6tc05031j
10. Song J., Kim K.H., Kim E., et al. Lensfree OLEDs with over 50% external quantum efficiency via external scattering and horizontally oriented emitters // Nature Commun. 2018. V. 9. № 1. P. 3207. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05671-x
11. Hu S., Tian Y., Lin Y., et al. High-efficiency and longlifetime deep-blue organic light-emitting diode with a maximum external quantum efficiency of 20.6% and CIEy of 0.04 // Dyes and Pigments. 2022. V. 205. P. 110548. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2022.110548
12. Xiaoming Zhao, Xin Liu, Cheng Yang, et al. Power reduction and contrast enhancement based on scene reconstruction for organic light emitting diode displays (Сокращение энергопотребления и улучшение контраста для органических светодиодных дисплеев на основе реорганизации отображаемой сцены) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 9. С. 38–48. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-09-38-48
Zhao X., Liu X., Yang C., et al. Power reduction and contrast enhancement based on scene reconstruction for organic light emitting diode displays // J. Opt. Technol. 2019. V. 86. № 9. P. 561–569. https://doi.org/10.1364/JOT.86.000561
13. Xu C., Liu P., Feng C., et al. Organic photodetectors with high detectivity for broadband detection covering UV-vis-NIR // Materials Chem. C. 2022. V. 10. № 15. P. 5787–5796. https://doi.org/10.1039/D2TC00525E
14. Zhao Z., Liu B., Xu C., et al. Highly sensitive all-polymer photodetectors with ultraviolet-visible to nearinfrared photo-detection and their application as an optical switch // Mater. Chem. C. 2021. V. 9. № 16. P. 5349–5355. https://doi.org/10.1039/d1tc00939g
15. Zheng E., Zhang X., Esopi M.R., et al. Narrowband ultraviolet photodetectors based on nanocomposite thin films with high gain and low driving voltage // ACS Appl. Mater. & Interfaces. 2018. V. 10. № 48. P. 41552–41561. https://doi.org/10.1021/acsami.8b13575
16. Armin A., Jansen–van Vuuren R.D., Kopidakis N., et al. Narrowband light detection via internal quantum efficiency manipulation of organic photodiodes // Nature Commun. 2015. V. 6. P. 6343. https://doi.org/10.1038/ncomms7343
17. Vanderspikken J., Maes W., Vandewal K. Wavelengthselective organic photodetectors // Adv. Functional Mater. 2021. V. 31. № 36. P. 2104060. https://doi.org/10.1002/adfm.202104060
18. Ren H., Chen J., Li Y., et al. Recent progress in organic photodetectors and their applications // Adv. Sci. 2021. V. 8. № 1. P. 2002418. https://doi.org/10.1002/advs. 202002418
19. Mikaeili A., Matsushima T., Esaki Y., et al. The origin of changes in electrical properties of organic films fabricated at various vacuum-deposition rates // Opt. Mater. 2019. V. 91. P. 93–100. https://doi.org/10.1016/ j.optmat.2019.03.012
20. Liu J., Wang Y., Wen H., et al. Organic photodetectors: Materials, structures, and challenges // Solar RRL. 2020. V. 4. № 7. P. 2000139. https://doi.org/10.1002/ solr.202000139
21. Nath D., Dey P., Joseph A.M., et al. CuPc/C60 heterojunction for high responsivity zero bias organic red light photodetector // Appl. Phys. A. 2020. V. 126. № 8. P. 627. https://doi.org/10.1007/s00339-020-03806-w
22. Wei G., Lu Z., Cai Y., et al. CuPc/C60 heterojunction photodetector with near-infrared spectral response // Mater. Lett. 2017. V. 201. P. 137–139. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.05.004
23. Wang C., Chen X., Chen F., et al. Organic photodetectors based on copper phthalocyanine films prepared by a multiple drop casting method // Organic Electronics. 2019. V. 66. P. 183–187. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2018.12.035
24. Лихоманова С.В., Каманина Н.В. Исследование механизмов оптического ограничения пиридинового комплекса, сенсибилизированного фуллереном С70 и красителем «малахитовый зеленый» // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 6. С. 55–58.
Likhomanova S.V., Kamanina N.V. Study of optical limiting mechanisms for a pyridine complex sensitized by C70 fullerene and malachite green dye // J. Opt. Technol. 2016. V. 83. № 6. P. 369–371. https://doi. org/10.1364/JOT.83.000369
25. Hou J., Inganäs O., Friend R.H., et al. Organic solar cells based on non-fullerene acceptors // Nature Mater. 2018. V. 17. № 2. P. 119–128. https://doi.org/10.1038/nmat5063
26. Yan C., Barlow S., Wang Z., et al. Non-fullerene acceptors for organic solar cells // Nature Rev. Mater. 2018. V. 3. № 3. P. 18003. https://doi.org/10.1038/ natrevmats.2018.3
27. Кириленко В.В., Жигарновский Б.М., Малкерова И.П. и др. Оптические и эксплуатационные характеристики пленок фторидов и оксидов, полученных испарением в вакууме // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 9. С. 72–77.
Kirilenko V.V., Zhigarnovskiĭ B.M., Malkerova I.P., et al. Optical and performance properties of fluoride and oxide films produced by vacuum evaporation // J. Opt. Technol. 2016. V. 83. № 9. P. 565–568. https://doi. org/10.1364/JOT.83.000565
28. Mali S.S., Dalavi D.S., Bhosale P.N., et al. Electro-optical properties of copper phthalocyanines (CuPc) vacuum deposited thin films // RSC Advances. 2012. V. 2. № 5. P. 2100–2104. https://doi.org/10.1039/c2ra00670g
29. Farag A.A.M. Optical absorption studies of copper phthalocyanine thin films // Opt. & Laser Technol. 2007. V. 39. № 4. P. 728–732. https://doi.org/10.1016/ j.optlastec.2006.03.011
30. Wei Z., Lim H., Lee G. Guided self-assembly of unidirectionally oriented quasi-one-dimensional 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic-dianhydride chains using surface nanowires // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. № 7. P. 071912. https://doi.org/10.1063/1.3555428
31. Jomphoak A., Maezono R., Onjun T. Density functional theory of graphene/Cu phthalocyanine composite material // Surface and Coatings Technol. 2016. V. 306. P. 236–239. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.06.015
32. Farag A.A.M., Fadel M. Optical absorption and dispersion analysis of nanocrystalline perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic-3,4,9,10-dianhydride film prepared by dip coating and its optoelectronic application // Opt. & Laser Technol. 2013. V. 45. P. 356–363. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.06.023