Laser & Photonics Reviews:宽响应有机光电探测器的研究进展

光电探测器作为一种将光信号转换为电信号的器件,在环境监测、图像传感、智能手机、监控等领域具有广泛应用。目前,商业光电探测器都是用无机半导体制成,例如硅和砷化镓。无机光电探测器的制备过程极其复杂并且环境不友好,导致了其高昂的成本。另外,无机材料的机械刚性限制了它们在柔性以及便携式器件上的应用。近十年来,有机光电探测器得到了越来越多的关注,这得益于有机半导体材料的可溶液和大面积制备、机械柔性、质量轻、室温制备、成本低等优点,这些优势有望弥补无机光电探测器的缺点。响应波段在紫外-可见-近红外光的宽响应有机光电探测器由于在图像传感、健康监测、机器视觉等领域具有广泛应用。例如,有机光电探测器阵列化集成在像素电路中可以实现图像传感,利用有机光电探测器监测PPG信号可以测量人的血氧饱和度和心率。

目前有机光电探测器的性能还达不到商业要求,还有一些亟需解决的问题,例如高暗电流、低探测率、低响应度以及低稳定性。暗电流会淹没探测信号,降低暗电流对于提升光电探测器的探测率至关重要。探测器的暗电流主要来源于外电荷的注入以及器件自身缺陷引起的漏电流。利用厚膜策略,三元策略,界面工程以及多层策略可以有效抑制暗电流,因而获得低的噪声电流和高的探测率。由于有机材料较低的光吸收,导致二极管型有机光电探测器较低的探测度,在实际应用中需要外接前置放大电路,进而会增加成本。具有超高响应度的倍增型有机光电探测器由于其对弱光的高灵敏度,有望在实际应用中避免使用前置放大电路,从而得到了广大科研人员的青睐。由于有机材料高的电子结合能和低的载流子迁移率,有机材料不能像无机材料那样通过碰撞电离和光电子发射机制来实现光电倍增。目前,主要利用受陷电荷诱导的外电荷隧穿注入来实现倍增型有机光电探测器。在有源层中引入电荷陷阱是在有机探测电器中实现光电倍增的关键。主要通过在有源层中引入少量电子给体或受体、量子点、纳米颗粒以及利用电荷阻挡层来俘获电荷,进而诱导外电荷隧穿注入。

近日,北京交通大学张福俊教授在光学领域高水平期刊Laser & Photonics Reviews上发了表题为“Recent Progress on Broadband Organic Photodetectors and their Applications”的综述。文章概述了宽响应二极管型有机光电探测器的性能优化策略、宽响应倍增型有机光电探测器的实现方法以及宽响应有机光电探测器在图像传感器和PPG传感器的应用。最后,讨论了有机光电探测器面临的主要挑战,并展望了其未来的发展方向。

相关成果发表在Laser & Photonics Reviews上(DOI: 10.1002/lpor.202000262),北京交通大学博士研究生赵子进为论文第一作者,张福俊教授为通讯作者。