Advanced Functional Materials:一种用于近红外光探测的高探测率自驱动有机光电探测器

近红外光电探测器可以应用到光通信、环境监测、生物医学成像等诸多领域。有机光电探测器因有机半导体材料的优势而具有检测波长可调、制造成本低、重量轻、可柔性加工等优点。通常,器件需要施加外部偏压来驱动并增强光电流。因此,开发自驱动光电探测器对于能够独立、无线和可持续地工作的低能耗光电设备非常重要。目前,在追求高光电流的过程中,大部分光电二极管型的光电探测器采用给受体材料共混(BC)的方法制备体异质结(BHJ)结构。在混合膜中,由于给体和受体的不同表面能形成不良的相分离,这影响了器件的稳定性。此外,由于在BHJ器件的阳极和阴极界面附近同时存在给体和受体成分,从而导致了不利的电荷注入,这将会使器件具有较高的暗电流密度(Jd),低探测率(D*)。为了降低Jd,诸多策略包括巧妙调整光活性层的能级、构建平面异质结(PHJ)结构、垂直相分离结构、引入阻挡层等被用于构建高性能OPD。

近期,中国科学院大学黄辉教授团队与其合作者采用环境友好型溶剂保护法(ESP)发展了一种用于近红外光探测的高探测率自驱动有机光电探测器(SD器件),并被应用到心率检测中,在生命健康柔性电子设备中具有良好的应用前景。

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图1. BC器件和SD器件的性能参数

在该工作中,研究者采用环境友好型溶剂保护法(ESP)制备的有机光电探测器具有良好的垂直相分离结构。根据1 Hz下的噪声电流,BC器件和SD器件的D*值分别为6.26×1010 Jones 和 2.55×1011 Jones。根据104 Hz下的噪声电流,BC器件和SD器件的D*值分别为6.04×1012 Jones and 1.14×1013 Jones。通过器件结构调节,SD器件的暗电流得到了降低,D*值得以提高。

图2. 机理研究

机理研究中指出,在良好的垂直相分离结构中,给体主要分布在靠近空穴传输层的一边,受体主要分布在靠近电子传输层的一边,从而有利于阻挡不利的电荷注入,进而降低器件的暗电流,提高D*值。并且在光电流的稳定性研究中表明,表面能较大的给体材料倾向于聚集于PEDOT:PSS一侧,表明能较小的受体材料倾向于聚集于PDINN一侧,这与垂直相分离结构相一致,从而使得SD器件的光电流具有较好的稳定性。

图3. 柔性器件的性能及应用

最后,柔性的SD器件被应用到心率(HR)检测中,其中一位作者典型收缩和舒张的HR信号峰在10 s内有12个心动周期,HR被确定为72次/min−1,这与传统心率检测仪的测试结果一致,证明了该研究在生命健康领域的应用前景。

上述研究工作得到了科技部重点研发计划,国家自然科学基金委和科学院相关经费的支持。

论文信息:

Self-powered organic photodetectors with high detectivity for near infrared light detection enabled by dark current reduction

Yanan Wei, Hao Chen, Tianhua Liu, Song Wang, Yihang Jiang, Yu Song, Jianqi Zhang, Xin Zhang, Guanghao Lu, Fei Huang, Zhixiang Wei, Hui Huang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106326

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202106326