Advanced Functional Materials:揭示有机光电晶体管中稳态光电导现象来源的新机制

有机光电晶体管是一类基于有机半导体材料,由栅压进行控制,可以将捕获的光信号转换为电信号的光电探测器。一方面,由于其可通过第三端电极调控并放大材料层内产生的光响应电流,因此具有较高的探测率和响应度,在成像、光通信、生物医学传感以及弱光探测等领域具有广阔的应用前景;另一方面,因有机材料具有可溶液加工、成本低、轻量、柔性等特点,其在未来可穿戴及柔性电子领域也展现出了独特的优势。

在很多有机光电晶体管的研究中,都会存在稳态光电导现象,即在光照时,器件产生光电流由高阻态转变为低阻态,而当撤去光照后,器件在几个小时甚至较长时间内依然保持低阻态的现象。由于需要施加额外的栅压来消除器件的稳态光电导,因此降低了光电晶体管器件的响应速度与工作频率。但另一方面,稳态光电导现象的存在为光记忆功能器件的发展开辟了一条新的思路,可以利用光电晶体管对于光的记忆效应,来构筑记忆图像传感器件以及模拟人眼的光突触视觉感知系统。而目前,有机光电晶体管中的稳态光电导现象的原理及产生机制还不清晰,因此深入了解稳态光电导现象的产生机制对于器件调控与应用具有非常重要的意义。

苏州大学功能纳米与软物质研究院张秀娟、揭建胜教授课题组通过研究揭示并提出了有机光电晶体管中广泛存在的稳态光电导现象的新机制。他们的研究发现吸附在有机小分子半导体上的氧分子可在其内部产生新的深能级态,该能级态对电子的捕获作用对光电晶体管中稳态光电导现象的产生起到重要作用。他们采用了有机单晶dif-TESADT小分子半导体作为有源层,并利用无界面捕获的BCB聚合物作为器件绝缘层,从而排除了材料内部缺陷及半导体/绝缘层界面处电子捕获对稳态光电导的影响。通过对比在不同气氛环境中器件的稳态光电导行为,发现空气中氧气分子对稳态光电导的产生起到了关键作用。通过第一性原理计算发现,吸附在材料表面的氧分子会在半导体中诱导产生一个新的深能级态,而开尔文探针扫描显微镜(KPFM)的表征也证实了在光照下该深能级态会对电子起到捕获作用。最后结合在不同温度及光照时间下器件稳态光电导的行为,确认了稳态光电导中氧诱导深能级捕获电子的机制。

研究者相信,此项研究揭示了光电晶体管中稳态光电导的产生机制,为后续光电晶体管器件的性能调控及新型器件的应用提供了新的思路。该论文第一作者为硕士研究生贾若飞,相关论文以“Unravelling the Mechanism of the Persistent Photoconductivity in Organic Phototransistors” 为题在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201905657)上。