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华南理工大学黄飞教授课题组《Nat. Commun.》:通过调控Frenkel激子解离实现高性能自滤光窄带有机光探测器
2020-06-26  来源:高分子科技

  窄带光电探测器在全色显示和近红外成像中有着重要应用。同时其也在一些新兴的智能系统,例如全天候机器人和自动驾驶系统中,展示出广阔的应用前景。目前商用的窄带光电探测器是通过无机硅光电二极管耦合光学滤光片来实现。与无机半导体相比,有机半导体在需要廉价、柔性和可光谱调制的领域展现出更大的应用潜力。然而有机半导体中光生Frenkel激子过高的束缚能和过短的扩散长度却给它们在光子-电子转换器件中的应用带来了挑战。因此,此前学界多把目光聚焦在通过分子改性和形貌调控等手段协助光生Frenkel激子的解离。


  近日,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室曹镛院士与黄飞教授团队发现Frenkel激子的这些固有属性实际上为有机半导体实现窄带光电探测功能提供了先决条件。团队研究人员创新性地提出了一种新型器件结构及设计理念,通过调控定域的光生Frenkel激子离解,制备无外置滤光片的高性能窄带有机光电探测器,该器件结构的核心在于由较宽带隙的有机电子给体材料与较窄带隙的有机电子受体材料构成的多级结构(图1)。


图1.(a)所用材料的化学结构式;(b)飞行时间二次离子质谱深度剖析测试曲线;(c)重构的三维负离子图像;(d)自滤光窄带有机光电探测器的基本器件结构示意图;(e)-0.1 V偏压下自滤光窄带有机光电探测器和参考器件的外量子效率曲线。


  在器件的工作状态下,在给体前层中受高能光子激发所产生的定域Frenkel激子在其有限的寿命内难以扩散到给/受体分离界面,未能有效地解离成自由电荷,因而最终弛豫回基态;只有穿透距离较深的低能光子才能到达给/受体界面,并在耗尽区内激发受体及少部分给体产生可解离成自由电荷的激子,研究人员将这一工作机理命名为“激子解离窄化”(EDN,图2)。


图2.(a)光致发光衰减曲线;(b)光生激子浓度分布曲线;(c)激子解离窄化原理示意图。


  测试结果表明,该策略在有效压制探测窗口外光谱响应的同时,能够很大程度地保持对检测光谱波段的探测灵敏度;多层膜结构提高了外电路电荷的注入势垒,有效地抑制了暗电流密度,提高了比探测率;此外,电中性的Frenkel激子赋予了探测器电学稳定的光谱选择特性,因而在-10 V的外加偏压下仍能保持窄带响应特征。最终器件在探测光波长为860 nm处,获得了峰值外量子效率达65%,半峰宽为72 nm,峰值比探测率超过 1013 Jones的自滤光窄带有机光探测器(图3)。


图3.(a)所用材料的能级图;(b)横截面扫描电子显微镜图像;(c)归一化紫-外可见吸收光谱图;(d)在不同偏压下的外量子效率曲线;(e)在光照和暗态下的电流密度-电压曲线;(f)由暗电流密度计算得到的比探测率曲线。


  探测峰的位置和半峰宽是评价窄带光电探测器的重要指标,该策略可以通过简单地调整给体材料和受体材料的组合,实现二者的调节。研究人员将这一理念施用于其他几种常用的有机半导体材料,并获得了探测峰分别在910 nm和940 nm、半峰宽约为50 nm、比探测率约为1013 Jones的自滤光窄带有机光电探测器(图4),证实了EDN机理的普适性。这种新型器件结构及其设计理念有助于有机半导体制造低成本、高可靠性的窄带有机光电探测器,为成像系统的欢乐时时彩发展注入新的动力。


图4.(a)基于双给体层的自滤光窄带有机光电探测器的结构示意图;(b)所用给体材料、受体材料和自滤光空穴传输层材料的化学结构式;(c)归一化的外量子效率曲线;(d)暗电流密度曲线;(e)基于DT-PDPP2T-TT/Y6和(f) DT-PDPP2T-TT/IEICO-4F的光电探测器的比探测率曲线。


  以上成果近期发表在Nature Communications (Nat. Commun. 2020, 11, 2871)上。论文的第一作者为博士生解博名和博士后谢锐浩,通讯作者为张凯博士黄飞教授


  论文链接 https://doi.org/10.1038/s41467-020-16675-x

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