Advanced Functional Materials:基于溶液法制备的氧化物半导体/有机半导体杂化光电晶体管

基于聚合物半导体的近红外传感器以其稳定性好、带隙可调、柔韧性高等特点在无创生物成像、可穿戴健康监测、和生物特征识别等新兴领域具有广泛的应用前景。在各种类型的聚合物近红外传感器中,光电晶体管具有灵敏度高、噪音低、增益可调等优点;同时,光电晶体管可以与其他电子元件如读出电路等一体化集成,从而构建大面积、高密度的图像传感器。然而,由于聚合物半导体载流子迁移率往往较低,限制了聚合物半导体光电晶体管的性能。通过低成本溶液法制备高性能的近红外光电晶体管仍然是一个挑战。

西湖大学工学院朱博文研究员团队和中科院化学所李永舫院士团队、孟磊研究员合作开发了可溶液法制备的In2O3/poly{5,5′-bis[3,5-bis(thienyl)phenyl]-2,2′-bithiophene-3-ethylesterthiophene]} (PTPBT-ET) 的n型金属氧化物半导体/聚合物半导体异质结结构,构建了高性能有机/无机杂化(In2O3/PTPBT-ET)光电晶体管(图一)。该光电晶体管结合了In2O3电子迁移率高和PTPBT-ET光响应强的优点,具有7.1 cm2 V-1 s-1的高饱和迁移率和>107的电流开/关比;对 NIR光展示出高响应度(200 A W-1),高探测率(1.2×1013 Jones),和快响应速度(上升/下降时间为 5/120 ms)等特点。

同时,得益于小分子受体高分子化(polymerizing small-molecular acceptors, PSMA)的提高有机半导体稳定性的有效方法,该In2O3/PTPBT-ET光电晶体管在没有封装或钝化处理的情况下也具有优异的电学稳定性,即使在空气中放置160天后性能也没有衰减(图二)。同时,基于器件的高均匀性,10×10的光电晶体管阵列被成功构筑并用于检测光信号的空间分布(图三)。最后,基于聚酰亚胺衬底上的柔性In2O3/PTPBT-ET光电晶体管表现出了出色的机械柔韧性,在弯曲半径为5 mm下被弯折上千次性能也没有衰减(图四)。这些结果为构建柔性高性能近红外图像传感器提供了新的思路。

图一. In2O3/PTPBT-ET光电晶体管的器件结构和近红外响应性能。
图二. In2O3/PTPBT-ET光电晶体管具有长期的空气稳定性。
图三. 基于In2O3/PTPBT-ET的10×10光电晶体管阵列(左)及用于检测图像分布(右)。标尺代表5 mm。
图四. 基于In2O3/PTPBT-ET光电晶体管的柔性近红外探测器。标尺代表1 cm。

该论文的第一作者是西湖大学工学院2020级博士生李定威,通讯作者为中科院化学所孟磊研究员和西湖大学工学院朱博文研究员。相关研究得到了西湖大学交叉学科研究中心(MRIC)初创基金,国家重点研发计划,和国家自然科学基金等项目的支持和资助。

论文信息:

Flexible and Air-Stable Near-Infrared Sensors Based on Solution-Processed Inorganic–Organic Hybrid Phototransistors

Dingwei Li, Jiaqi Du, Yingjie Tang, Kun Liang, Yan Wang, Huihui Ren, Rui Wang, Lei Meng*, Bowen Zhu*, Yongfang Li

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.20210588710.1002/adfm.202105887

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105887