中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
有效調控和平衡光生載流子的分離、傳輸與復合對于實(shí)現高靈敏光電探測器至關(guān)重要。傳統的有機光電晶體管大多基于單一的層異質(zhì)結或體異質(zhì)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。盡管以上結構提供了較優(yōu)異的光電探測性能，但是它們都很難同時(shí)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(jìn)一步提升。
為解決以上問(wèn)題，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究人員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(zhì)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(chǎn)生的激子在體異質(zhì)結處被有效分離，產(chǎn)生的電子被受體PC61BM捕獲(CTE效應)，空穴則注入溝道層，無(wú)機MoO3可以進(jìn)一步促進(jìn)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(jìn)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(wú)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(guò)對光生激子的產(chǎn)生、分離、傳輸以及復合抑制的各個(gè)環(huán)節進(jìn)行巧妙設計和優(yōu)化，最終實(shí)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(guò)彎曲實(shí)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(shí)，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(yōu)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(shí)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(shí)現方法。不僅如此，此結構具有非常優(yōu)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(guān)有機光電器件的電子、光電原理性探索以及器件應用開(kāi)發(fā)提供了嶄新的研究平臺。
研究成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》。該項研究得到廣東省科技計劃項目、深圳市科技計劃項目等的資助。
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