聚合物光電探測器(PPDs)具有柔性、低功耗、良好的生物兼容性等優(yōu)點，在可穿戴設備、光學成像、生物醫(yī)藥等領域具有廣闊的應用前景。倍增型聚合物光電探測器(PM-PPDs)的外量子效率(EQE)可遠大于100%，在實際應用中能夠摒棄復雜的附加放大電路，有利于提高系統(tǒng)集成度并節(jié)約設計成本。近年來，北京交通大學張福俊教授課題組一直致力于基于界面陷阱誘導電荷隧穿注入的工作機理研發(fā)PM-PPDs。所制備的PM-PPDs具有暗電流密度低、探測靈敏度高、響應光譜可調的優(yōu)點。為了制備高性能PM-PPDs，圍繞其工作機理探索進一步優(yōu)化PM-PPDs性能的方法成為研究重點。
影響PM-PPDs性能參數(shù)的主要因素歸結于有源層中的電荷遷移率以及界面附近的受陷電荷分布。近日，北京交通大學張福俊教授課題組以PBDB-T:BTPV-4F (98:2, wt/wt)為有源層制備出PM-PPDs，在反向偏壓下，受陷于BTPV-4F中的光生電子誘導空穴由Al電極隧穿注入到有源層，沿著PBDB-T形成的連續(xù)通道高效傳輸，最終被ITO電極收集，從而實現(xiàn)光電倍增現(xiàn)象。在-10 V偏壓下，PM-PPDs的EQE明顯大于100%，其EQE光譜形狀主要取決于Al電極附近的受陷電子分布情況。
圖1. (a) PM-PPDs的結構示意圖；(b) PM-PPDs的電流密度-電壓曲線及其工作機理示意圖；(c) PM-PPDs的EQE光譜和有源層的吸收光譜；(d) Al電極附近有源層截面的受陷電子密度。
向有源層中引入高結晶性的液晶小分子BTR作為調節(jié)劑，以調控有源層中PBDB-T的分子排布方式，進而提高有源層中的空穴遷移率。有源層中的空穴遷移率隨有源層中BTR含量的增加而提升。當有源層中BTR含量為9 wt%時，界面附近的受陷電子密度以及有源層中的空穴遷移率達到平衡，獲得性能最優(yōu)的PM-PPDs。PM-PPDs的EQE以及響應度可隨著外加偏壓的增大而得到大幅度提高，當偏壓為-20 V時，PM-PPDs的EQE以及響應度在660 nm處分別為19300%和102 A W-1。
圖2. (a) 相應薄膜面內(nèi)以及面外方向的GIWAXS剖面圖；(b) 相應有源層中的空穴遷移率；相應PM-PPDs的EQE光譜和有源層中的陷阱態(tài)密度(c, d)；不同偏壓下最優(yōu)PM-PPDs的EQE光譜和響應度光譜(e, f)。
以上成果以Employing liquid crystal material as regulator to enhance performance of photomultiplication type polymer photodetectors為題發(fā)表在Chem. Eng. J.上。感謝中科院化學所李永舫院士課題組為本實驗提供的BTPV-4F材料。本論文第一作者為北京交通大學博士研究生楊凱旋，通訊作者為張？〗淌。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131802
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