2024-02-27 16:31
波长超过1.0 μm的短波红外光的探测在遥感、夜视、健康监测、人工智能、生物成像和光学通信等领域有广阔的应用前景。有机半导体具有化学结构和光电性能可调、吸收系数高、机械柔韧性好、与低成本溶液加工方法兼容的优势，基于有机半导体的有机光探测器（OPD）近年来得到了国内外研究人员的广泛关注和研究。但是，OPD如何在短波红外区域同时实现高响应度和高探测率仍然是一个巨大挑战。
在该工作中，作者设计合成了分别以苯并三氮唑（BTz）和苯并三氮唑并噻二唑（TBz）作为Q单元的n-型半导体BTzIC和TBzIC。TBz的引入提高了分子醌式构象的含量，促进了键长均一化和电子云离域，使该分子的薄膜吸收边红移至1280 nm，光学带隙收窄至0.97 eV。此外，TBz单元的引入还构建了多重非共价构象锁，增加了分子的结晶性，减小了能量无需度和陷阱密度。
图1.（a）BTzIC和TBzIC的化学结构和分子设计理念，（b）溶液和薄膜吸收。（c）TBzIC薄膜的化学稳定性。（d）BTzIC和TBzIC的能级。
通过调节给体和受体分子的能级排列，基于PBDT-TT:TBzIC的短波红外有机光探测器的量子效率得到了显著提高。在0和-4 V的偏压下，该探测器在1100 nm处分别获得了26%和41%的EQE，分别对应0.23和0.37 A W -1的响应度。这是目前有机光探测器在超过硅探测器工作极限获得的最高的响应度。此外，在-4 V偏压下，该探测器在1200 nm处仍然具有0.14 A W -1的响应度，显著超过了硅探测器的工作极限。得益于暗电流的降低，基于PBDT-TT:TBzIC的短波红外有机光探测器在500-1210 nm范围内取得了超过10 13 Jones的探测率。
图2.（a）不同给体的化学结构。（b）给体和受体的能级。基于PBDT-TT:TBzIC的器件的（c）响应度，（d）探测率。（e）本工作以及文献中短波红外光探测器的响应度-探测率统计图。
作者通过变温暗电流，傅里叶变换光电流-外量子效率（FTPS-EQE），电容-电压法和电容-频率法进一步分析了器件暗电流低的内在物理机制，发现基于PBDT-TT:TBzIC的器件具有更低的能量无序度和缺陷密度，有助于其实现更低的噪声电流，从而使其可以克服有效带隙的限制，获得低噪声电流，最终实现了高比探测率。
图3.基于不同受体分子的有机光探测器的（a）暗电流，（b）陷阱，（c）乌尔巴赫能，（d）势垒示意图，（e）变温暗电流，（f）阿伦尼乌斯拟合分析。
除了对器件性能的表征和对器件物理的探究，作者还通过光电容积描记（PPG）法测量人体心率（图4a-b），制备光谱仪原型器件（图4c-d）和短波红外成像（图4e-f）充分证明了TBzIC在短波红外光探测领域中的巨大应用潜力。
图4.（a）、（b）PPG示意图和APG分析，（c）、（d）光谱仪示意图和结果，（e）、（f）红外成像示意图和结果。
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！