高灵敏度有机光电探测器

光电探测器是一种能将光信号直接转换为电信号的器件。在各类信息技术系统中,光电探测器的地位相当于人的眼睛,广泛应用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量、通信、成像和遥感等诸多方面。随着电子工业产品的轻薄化、柔性化和智能化发展,特别是印刷电子和可穿戴电子的快速发展,具有轻薄及柔性并可大面积和高分辨制备的新型高性能光电探测器将具有广阔的表现舞台。

评价光电探测器的一项重要技术指标是其对微弱光信号的探测能力,这对于普通光电探测器则是一大挑战,往往需要通过复杂光电倍增系统来实现。若单纯地利用器件自身来探测微弱光信号,则要求器件具有很高的增益,也即光电放大能力,冀器件在吸收一个光子的情况下产生多个电子(或空穴)来贡献电流。传统的光电导增益模式是通过器件内部光生载流子的寿命远大于其跨越器件的时间,使得器件内部正负载流子分布不平衡,迫使从外电路注入额外载流子,从而获得增益。但在这种光电导模式下,器件需要很高的工作电压,并且增益越高则意味着器件的响应时间越长,响应速越度慢。这将严重制约器件的应用范围。

Small

近期,哈尔滨工业大学(深圳)材料学院邓先宇课题组与香港中文大学电子工程系许建斌团队共同研制了一种新型的有机光电探测器。该探测器为一简单的三明治夹层二极管结构,器件底端是由氨基酸分子修饰的透明导电电极,中间为有机活性层,顶端包含一层薄的无机半导体氧化钼层和金属铝电极。该器件在正的1V偏压下,室温外量子效率达到5020%。同时,在此偏压下,器件具有非常低的暗电流,约1纳安/平方厘米,这使得器件具有极高的探测率。在实测噪声电流的情况下,器件探测率超过1014 Jones. 这一实测探测率乃是目前报道的近红外探测器中的最高探测率。通过仪器的现场测试对比,该器件探测微弱信号的能力要比传统的硅基光电探测器大2-3个数量级。该探测器与目前传统报道的光电探测器最大不同处在于,其增益机理是因为相关有机材料本身的陷阱存在,导致正向偏压下注入器件的载流子在内部不断累积,并在光诱导下快速释放,从而产生光电放大效应。由于这种光诱导释放载流子的过程时间非常短,而且释放数量与光强具有很强的依赖性,因此,器件同时具有较快的响应速度和宽广的线性动态范围。

此类光电探测器不仅为快速探测微弱光信号提供了一种崭新的器件途径和实施方案,同时也使得基于该类器件单光子探测甚至成为可能。相关论文发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201603260) 上。

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