光谱响应范围可调的双向倍增型有机光电探测器

aom-zhanxiaowei在科技进步的现代社会中,光电探测器的应用无处不在:图像传感、环境监测、工业控制、射线探测、生物检测等。有机半导体材料吸收系数高、能级可调、成本低以及可柔性制备等优势,在有机电致发光、有机光伏器件方面已受到广泛关注,有机光电探测器的研究还相对落后,特别是光电倍增型有机光电探测器的研究。基于光伏效应机理的传统二极管型光电探测器,其外量子效率(EQE)不可能超越100%,这就对光电探测器的实际应用形成制约。对于二极管型光电探测器,为了提高探测灵敏度需要电流放大器与之配合,这就增加集成光电子器件的制备难度。国内外多个课题组都致力于研究具有高灵敏、光谱响应可调的有机光电探测器,以满足微型化、集成化的工业要求。

最近,北京交通大学张福俊课题组和北京大学占肖卫课题组合作首次成果制备出一种光谱响应范围可调的双向倍增型有机光电探测器。该器件结构为ITO/PFN/P3HT:ITIC(100:1, wt/wt)/Al,以PFN作为ITO电极修饰层,给受体掺杂质量比例为100:1。在暗态条件下,在ITO/PFN和Al/P3HT界面处存在较大的空穴注入势垒,导致空穴向有源层中的注入非常困难。由于电子传输材料ITIC的含量非常少无法形成连续的电子传输通道,使得电子的传输受到限制。因此,器件在正负偏压下具有较低的暗电流。光照时,光生激子解离后的电子将被限制在ITIC所形成的电子陷阱中,由于库伦力的作用,有源层与电极界面附近陷阱中的电子将诱导界面能带弯曲,从而降低了空穴注入势垒,使得空穴可以从外电路注入到有源层。有源层中P3HT可以为注入的空穴提供良好的传输通道,当单位时间流过器件的电荷数大于器件俘获的光子数时,这种光电探测器就具有光电倍增的功能。器件在正负偏压下的EQEaom-zhanxiaowei1最大值分别达到5000%和7000% (±20V)。利用传输矩阵法计算了光场分布及光生电子分布,理论计算结果与实验EQE光谱响应结果相吻合,验证了实现光电倍增型有机光电探测器的工作机理,即界面陷阱中的电子诱导空穴的隧穿注入。该器件的光谱响应范围、响应度和探测度可以通过外加偏压的极性与大小进行调节,这就实现了同一探测器可以对不同波长的光进行探测的功能。同时,用窄带隙非富勒烯材料ITIC作为电子受体,将器件响应范围拓展至近红外区域,为非富勒烯材料在高性能有机光电探测器领域的应用开辟了一个新方向。基于该工作机理的倍增型有机光电探测器拥有更广阔的发展和应用前景,具有很大的挖掘潜力。

基于单层三明治结构的器件,成功制备出响应范围可调的双向倍增型有机光电探测器,克服了传统二极管型有机光电探测器响应度低、暗电流大等不足,为制备出高灵敏、光谱可调、多功能探测器提供了新思路,有利于制备出集成的光电子器件。相关论文目前在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201600387)上,第一作者为硕士研究生苗建利。