具有近红外记忆功能、免滤光片、类视网膜双波段型有机光传感器阵列

人眼通过视网膜中视锥细胞光感受器吸收并区分来自不同波段的入射光子,从而感知多彩的画面;因此在仿生电子学中,模仿人视网膜、构筑出具有颜色区别功能的智能化光传感器是重要的科学课题。采用吸收峰在不同波段的有机共轭染料作为感光层,材料学家已初步实现了可见光波段红、绿、蓝敏感的有机光传感器。然而考虑到人眼在近红外区的低敏感度和近红外光在夜间安防、医学成像和仿生视觉系统中的用途,模拟视网膜制备出具有高灵敏度近红外光传感器尤为迫切。

当下的有机近红外光探测器受制于大部分窄带隙材料在可见光区(380-760纳米)的强吸收和近红外区较低的光电转换效率,对近红外光的灵敏度低于可见光,因此需要前置滤光片排除可见光的干扰。这一缺陷大大增加器件厚度,降低可穿戴性,限制了超薄膜、类视网膜型近红外光传感器的发展。针对这一问题,中科院化学所的刘云圻和胡文平组的研究人员基于四种有机染料衍生物半导体,通过集成分压型光传感器和双极性的浮栅晶体管,成功地构筑了一款免滤光片、高度选择性地将近红外光转换为非挥发电导记忆行为的超薄光传感器。该器件可在62分贝的动态范围内将850纳米近红外光转换成非挥发记忆电导信号,在86分贝动态范围内将550纳米绿光转换成动态光开关信号,因此该工作实现了对近红外光信号的选择性记忆,类似视网膜的波段选择性。

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器件的工作原理如下:宽波段响应的酞菁氧矾/苝酰亚胺(ROT300)异质结不同于传统有机异质结,可在850纳米波长的光照下表现出比绿光(550纳米)更高的光电流;将该异质结和负载电阻串联后形成了可将近红外光转换成电压信号的光传感分压器。浮栅晶体管存储器在足够大的栅电压信号的刺激下,完成“写入”操作,从而将近红外光“记住”,该功能模仿了人视觉系统的感光-记忆能力。值得一提的是,研究人员创新性地将双极性(电子和空穴沟道)传输的聚(异靛蓝-噻吩并噻吩)(PIID-TT)作为浮栅存储器的沟道层;这项改进使得浮栅存储器在绿光照射下(电压信号不足以触发“写入”操作)可将光脉冲转换成动态的光开关行为,即光照终止后浮栅存储器的电导可恢复至高阻态。这些措施使得有机光传感器在不同波段入射光下采用不同沟道处理信号,从而实现了高度波段选择性。

得益于半导体选材和传感器电路的设计,该有机近红外光传感器在无滤光片下具备了抗可见干扰能力,最高可在光强12毫瓦每平方厘米绿光下不触发浮栅晶体管的记忆功能。研究人员利用水浮法将超薄(近800纳米)光传感器电路从玻璃衬底上转移下来,贴合在玩具狗眼球表面测试,初步展示了它作为类视网膜器件的潜力。

本研究近期发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201701772), 中科院化学所的王翰林、刘洪涛博士和赵强为并列为第一作者。