Advanced Materials:比探测率达10^18的超高灵敏度紫外有机光敏晶体管

紫外光电探测器在通信、导弹预警与跟踪、天文学、灾害天气预报、火灾预警、海洋石油污染监测和生物医学等领域有着重要的应用。紫外光敏晶体管作为紫外光电探测器的一种,与传统的光电二极管相比,具有放大电信号和低噪声的独特优势。有机半导体作为紫外光敏晶体管的候选材料,具有易大规模制备、成本低和机械柔性好等优点。尽管有机光敏晶体管的研究已经取得了重大进展,但是具有超高紫外灵敏度的有机半导体材料还很少。光敏晶体管的性能取决于所用材料的光学和电学性质。光学特性决定了光敏晶体管的光谱覆盖和量子效率,而电学特性则决定了通过器件的电流大小,即载流子传输和载流子密度,以及光照下电荷分离和收集的效率。由于已报道的大多数有机半导体材料的带隙相对较窄,吸收光谱大都在可见光到近红外光范围内,因此具有理想紫外光吸收特性的有机半导体材料很少。此外,对于具有宽带隙、紫外光吸收的有机半导体材料来说,分子的π-共轭长度有限、分子间π-π相互作用较弱,不利于实现有效的电荷传输,因此,发展同时具有优异的紫外吸收特性和高载流子迁移率的有机半导体材料,对实现高性能紫外光敏感的晶体管的构建及应用具有重要意义。

吉林大学化学学院田文晶教授团队和中科院化学所董焕丽研究员团队通过在芘环的不同位置引入具有大空间位阻的三苯胺基团,设计合成了两种新型芘类衍生物1,6-DTEP和2,7-DTEP。研究表明,基于化合物1,6-DTEP和2,7-DTEP的单晶具有高迁移率、强荧光发射、激子结合能小和紫外吸收强的性质,这些优异的性质预示着它们将在紫外光电探测器中具有良好应用。1,6-DTEP和2,7-DTEP有机单晶场效应晶体管的最高迁移率达2.1 cm2 V-1 s-1,这是目前含三苯胺基团的化合物获得的最高迁移率。此外,基于1,6-DTEP和2,7-DTEP单晶的有机光敏晶体管具有超高灵敏度的紫外光响应,获得的最高光响应度达2.86 × 106 A W-1,最高的比探测率达1.49 × 1018 Jones。实验结果证明,三苯胺乙炔基芘类化合物作为优异的有机光电半导体材料在高性能光电探测器中具有很大的应用潜力。

此项研究将为开发新型高性能紫外光敏感的有机半导体光电材料提供新的设计策略。相关论文发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201907791)上。