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  窄帶光電探測(cè)器在全色顯示和近紅外成像中有著重要應(yīng)用。同時(shí)其也在一些新興的智能系統(tǒng)，例如全天候機(jī)器人和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，展示出廣闊的應(yīng)用前景。目前商用的窄帶光電探測(cè)器是通過無機(jī)硅光電二極管耦合光學(xué)濾光片來實(shí)現(xiàn)。與無機(jī)半導(dǎo)體相比，有機(jī)半導(dǎo)體在需要廉價(jià)、柔性和可光譜調(diào)制的領(lǐng)域展現(xiàn)出更大的應(yīng)用潛力。然而有機(jī)半導(dǎo)體中光生Frenkel激子過高的束縛能和過短的擴(kuò)散長(zhǎng)度卻給它們?cè)诠庾?電子轉(zhuǎn)換器件中的應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。因此，此前學(xué)界多把目光聚焦在通過分子改性和形貌調(diào)控等手段協(xié)助光生Frenkel激子的解離。

  近日，華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹鏞院士與黃飛教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Frenkel激子的這些固有屬性實(shí)際上為有機(jī)半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)窄帶光電探測(cè)功能提供了先決條件。團(tuán)隊(duì)研究人員創(chuàng)新性地提出了一種新型器件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念，通過調(diào)控定域的光生Frenkel激子離解，制備無外置濾光片的高性能窄帶有機(jī)光電探測(cè)器，該器件結(jié)構(gòu)的核心在于由較寬帶隙的有機(jī)電子給體材料與較窄帶隙的有機(jī)電子受體材料構(gòu)成的多級(jí)結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1.（a）所用材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；（b）飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜深度剖析測(cè)試曲線；（c）重構(gòu)的三維負(fù)離子圖像；（d）自濾光窄帶有機(jī)光電探測(cè)器的基本器件結(jié)構(gòu)示意圖；（e）-0.1 V偏壓下自濾光窄帶有機(jī)光電探測(cè)器和參考器件的外量子效率曲線。

  在器件的工作狀態(tài)下，在給體前層中受高能光子激發(fā)所產(chǎn)生的定域Frenkel激子在其有限的壽命內(nèi)難以擴(kuò)散到給/受體分離界面，未能有效地解離成自由電荷，因而最終弛豫回基態(tài)；只有穿透距離較深的低能光子才能到達(dá)給/受體界面，并在耗盡區(qū)內(nèi)激發(fā)受體及少部分給體產(chǎn)生可解離成自由電荷的激子，研究人員將這一工作機(jī)理命名為“激子解離窄化”（EDN，圖2）。

圖2.（a）光致發(fā)光衰減曲線；（b）光生激子濃度分布曲線；（c）激子解離窄化原理示意圖。

  測(cè)試結(jié)果表明，該策略在有效壓制探測(cè)窗口外光譜響應(yīng)的同時(shí)，能夠很大程度地保持對(duì)檢測(cè)光譜波段的探測(cè)靈敏度；多層膜結(jié)構(gòu)提高了外電路電荷的注入勢(shì)壘，有效地抑制了暗電流密度，提高了比探測(cè)率；此外，電中性的Frenkel激子賦予了探測(cè)器電學(xué)穩(wěn)定的光譜選擇特性，因而在-10 V的外加偏壓下仍能保持窄帶響應(yīng)特征。最終器件在探測(cè)光波長(zhǎng)為860 nm處，獲得了峰值外量子效率達(dá)65%，半峰寬為72 nm，峰值比探測(cè)率超過 10¹³ Jones的自濾光窄帶有機(jī)光探測(cè)器（圖3）。

圖3.（a）所用材料的能級(jí)圖；（b）橫截面掃描電子顯微鏡圖像；（c）歸一化紫-外可見吸收光譜圖；（d）在不同偏壓下的外量子效率曲線；（e）在光照和暗態(tài)下的電流密度-電壓曲線；（f）由暗電流密度計(jì)算得到的比探測(cè)率曲線。

  探測(cè)峰的位置和半峰寬是評(píng)價(jià)窄帶光電探測(cè)器的重要指標(biāo)，該策略可以通過簡(jiǎn)單地調(diào)整給體材料和受體材料的組合，實(shí)現(xiàn)二者的調(diào)節(jié)。研究人員將這一理念施用于其他幾種常用的有機(jī)半導(dǎo)體材料，并獲得了探測(cè)峰分別在910 nm和940 nm、半峰寬約為50 nm、比探測(cè)率約為10¹³ Jones的自濾光窄帶有機(jī)光電探測(cè)器（圖4），證實(shí)了EDN機(jī)理的普適性。這種新型器件結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理念有助于有機(jī)半導(dǎo)體制造低成本、高可靠性的窄帶有機(jī)光電探測(cè)器，為成像系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

圖4.（a）基于雙給體層的自濾光窄帶有機(jī)光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；（b）所用給體材料、受體材料和自濾光空穴傳輸層材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；（c）歸一化的外量子效率曲線；（d）暗電流密度曲線；（e）基于DT-PDPP2T-TT/Y6和（f） DT-PDPP2T-TT/IEICO-4F的光電探測(cè)器的比探測(cè)率曲線。

  以上成果近期發(fā)表在Nature Communications (Nat. Commun. 2020, 11, 2871)上。論文的第一作者為博士生解博名和博士后謝銳浩，通訊作者為張凱博士和黃飛教授。

  論文鏈接 https://doi.org/10.1038/s41467-020-16675-x