Small:大面积有机图像传感器

数字图像传感器是一种用于记录图像信息的高分辨率光电集成器件,不仅在涉及光学成像的基础研究领域应用广阔,在各类商用成像设备中也随处可见它的身影。由于数字图像传感器直接通过数字信号捕获图像信息,因此目前已经基本全面取代传统的胶片成像方式,成为图像采集的主导技术。常见的商用数字图像传感器包括互补性金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器和电荷耦合元件(CCD)图像传感器两类,而分辨率和信噪比是其极为重要的两个技术指标。

对于有机半导体小分子来说,长程有序、缺陷较少的单晶结构可以实现有效的载流子传输和较长的光生载流子寿命,因此,相比于薄膜来说更有利于实现其光电应用。目前,有机小分子单晶微纳结构已经在光电探测、光伏、发光等器件上展示出了巨大的潜力。以光电探测为例,尽管目前目前已经有报道称有机光电探测器可以达到与传统硅光二极管器件相媲美的响应度和探测率,然而对于实现高分辨率、高信噪比的有机集成器件来说,大面积制备规则排列的高质量阵列依然存在挑战。具体来说,在有机材料的液相组装过程中,较弱的分子间作用力使得大量缺陷无法避免,而这会降低材料迁移率、加剧非辐射复合,对器件性能来说极为不利。

吉林大学邱宇辰博士、中国科学院理化技术研究所吴雨辰研究员与广东省季华实验室博士后高寒飞等人合作发展了一种毛细液桥诱导的液相加工方法,并将其应用于有机一维单晶阵列的制备中。该方法通过控制毛细液流的定向输运实现了晶体的限域成核生长过程,从而实现了单晶阵列的有序排列和良好取向。通过控制溶液浓度和组装体系的压力,实现了有机一维阵列在三个维度上的精确调控,包括在2.9-5.8 μm范围内连续调控微米结构宽度以及在1.2 μm – 110 nm范围内连续调控其厚度。基于有机一维阵列,制备了光电探测器,该器件表现出了较高的良品率和稳定的光电性能,包括180倍的开关比和4.99 mA/W的响应度。该工作基于超大面积的有机一维阵列,完成了光电探测器的大面积阵列集成,从而实现了400像素(20×20)的有机图像传感器,并通过该有机图像传感器实现了十微米量级的高精度图像探测。该工作为有机单晶半导体材料的大规模集成制备提供了新思路,为实现未来有机光电集成模块奠定了基础。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目(51922012,21703268,21633014)、国家重点研发计划(2017YFA0204504,2018YFA0208502,2018YFA0704803)、北京市科委项目(Z181100004418014)、北京市基金委项目(2182081)和中国科学院青年创新促进会(2018034)的支持。

论文信息:

Scalable SingleCrystalline Organic 1D Arrays for Image Sensor

Yuchen Qiu, Yuyan Zhao, Hanfei Gao*, Yingjie Zhao, Jingyuan Zhang, Bo Zhang, Jiangang Feng, Lei Jiang, Yuchen Wu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100332