深圳先進院成功開發超靈敏光電探測器
近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料界面研究中心李佳副研究員團隊在超靈敏光電探測器研究領域取得重要進展。研究團隊巧妙地設計了一種新型的復合式分層有機光電晶體管結構，在充分利用電荷俘獲效應的同時兼顧了高效的電荷分離和輸運，從而實現了光電探測性能的大幅提升。相關成果“基于新型復合式分層結構有機光電晶體管的超靈敏光電探測”（A Novel Hybrid-Layered Organic Phototransistor Enables Efficient Intermolecular Charge Transfer and Carrier Transport for Ultrasensitive Photodetection ）以深圳先進院為第一通訊單位發表于期刊Advanced Materials（Adv. Mater. 1900763, 2019，影響因子21.95）。論文第一作者是材料界面研究中心研究助理高源鴻，共同通訊作者是北京大學深圳研究生院王新煒研究員。
有效調控和平衡光生載流子的分離、傳輸與復合對于實現高靈敏光電探測器至關重要。傳統的有機光電晶體管大多基于單一的層異質結或體異質結結構，前者中給、受體分別以層狀薄膜疊加的形式構成，后者中給、受體材料共混形成光電轉換活性層。盡管以上結構為我們提供了較優異的光電探測性能，但是它們都很難同時兼顧光生激子的高效分離、傳輸以及較低的激子復合率，這嚴重限制了光電晶體管光探測性能的進一步提升。
為解決以上問題，研究團隊首次提出了一種新穎的復合式分層光電晶體管結構，該結構由用于載流子高效傳輸的C8-BTBT溝道層、高效的C8-BTBT:PC61BM體異質結光活性層以及二者之間的超薄MoO3空穴傳輸層組成（圖1）。在光活性層中產生的激子在體異質結處被有效分離，產生的電子被受體PC61BM捕獲(CTE效應)，空穴則注入溝道層，無機MoO3可以進一步促進空穴的注入并阻擋電子，從而有效地抑制電子-空穴復合。更進一步，具有高遷移率的C8-BTBT溝道層為空穴的傳輸提供了暢通無阻的“高速公路”，空穴在溝道中得以自由和高速地傳輸。因此，通過對光生激子的產生、分離、傳輸以及復合抑制的各個環節進行巧妙設計和優化，最終實現了光電晶體管光探測性能的大幅提升，光敏性photosensitivity (Ilight/Idark)達到2.9×106，光響應性(Photoresponsivity)達到8.6×103 A/W，光探測率(Detectivity)為3.4×1014 Jones，在弱光照射下(32μW/cm2)，外部量子效率為3×106 %。
不僅如此，在器件應用層面，研究團隊利用這一新穎結構，制備了柔性的光電探測器件，并通過彎曲實驗驗證了該結構在柔性器件中良好的可靠性(圖2a)。與此同時，研究團隊也制備了光電晶體管的陣列結構，驗證其在光成像應用中的優異潛力(圖2b)。
這一工作中提出的器件結構設計思路，鋪設了一條通往高性能有機光電晶體管的新路徑。為實現高性能(柔性)光電探測器以及光成像器件，提供了重要的設計思路和實現方法。不僅如此，此結構具有非常優異的普遍適用性，為從紫外到近紅外寬光譜范圍的高性能光電探測器以及其他相關有機光電器件的電子、光電原理性探索以及器件應用開發提供了嶄新的研究平臺。
該項研究得到了廣東省科技計劃項目、深圳市科技計劃項目等項目的資助。
圖1 (a)復合式分層光電晶體管結構圖以及(b)能級分布圖
圖2使用復合式分層結構的(a)柔性光電探測器及(b)光成像陣列
