Small:高性能近红外圆偏振光直接探测

关键词:超分子手性 近红外圆偏振光探测 手性本体异质结 有机光电二极管

偏振/极化是光的重要特性之一。手性有机光电探测器件有望灵敏地将近红外 (NIR) 圆偏振光 (CPL) 的偏振特性转换为可调制的电信号,从而在光谱学、成像和通信等领域展现出广阔的应用前景。相对于可见光波段,近红外光,特别是在830、850、980、1060、1550 nm 等常用波长,具备更深的组织穿透深度、更高的分辨率和更低的光源成本。因此,针对这些波长的直接CPL探测极具吸引力。然而,有机半导体材料往往在近红外区域光吸收差、光生激子效率低、器件暗电流较高,且手性分子材料在近红外区域的吸收不对称因子(gabs)较低。这一系列因素限制了基于手性有机半导体的近红外圆偏振光直接探测器件的发展,使得制备同时具有高电流不对称因子、响应度、探测率和响应速度的手性近红外有机光电探测器十分具有挑战性。

近日,国家纳米科学中心魏志祥研究员课题组构建了基于手性BTP-4Cl非富勒烯受体与非手性PM6给体的本体异质结(BHJ)二极管器件,实现对近红外圆偏振光极化方向的直接探测。研究发现给受体比为1/10的有机光电二极管器件实现了活性层光吸收不对称性和器件光电性能之间的最佳平衡。手性非富勒烯受体聚集体的超分子手性使得活性层在830 nm处的吸收不对称因子(gabs)高达±0.02,是手性有机半导体材料在近红外区域的最高值,这使得基于此活性层的手性器件实现了±0.03的光电流不对称因子(gsc)。该项研究展示了一种通过将超分子手性引入本体异质结来构建高性能直接 NIR CPL探测器的有前景的策略。

该研究将手性烷基链引入非富勒烯受体BTP-4Cl,设计合成了一对对映异构体(S,S)-/(R,R)-BTP-4Cl(图1),通过聚集态调控,成功诱导了本体异质结有机太阳能电池活性层产生超分子手性。薄膜的圆二色(CD)吸收带涵盖300-950 nm范围,与非手性给体PM6共混后,其在830 nm处gabs高达±0.02,是手性有机半导体材料的最高值。

图1. (S,S)-/(R,R)-BTP-4Cl的分子结构、聚集体形貌、及其光学性质。

为削弱本体异质结活性层中非手性PM6给体组分对手性受体(S,S)-/(R,R)-BTP-4Cl聚集体超分子手性的影响,该工作系统性研究了给受体比例对活性层光吸收不对称性与器件光电性质的影响,最终发现给受体为1/10的比例实现了二者之间的最优平衡。手性BTP-4Cl优异的光电特性使得在BHJ中构建具有高手性受体含量的高效NIR CPL检测器成为可能。

图2. 给受体比例对活性层光吸收不对称性及器件光电性质的影响

该工作进一步探索了基于给受体比例为1/10器件的基本光电探测性能和圆偏振光探测性能。结果显示,在给受体比例极不平衡的条件下,相应的器件仍具备优异的光电性能。该光电探测器在近红外区域的外量子效率高达60%、响应度为0.4 A W-1、基于噪声电流的探测率为3×1011 Jones,以及微秒级的快速响应速度和超过 7000 Hz 的 -3 dB 带宽,NIR CPL检测在 830 nm 处成功获得了 ±0.03 的 gsc

图3. 手性有机光电二极管的光电探测基本性能和对圆偏振光极化方向的特异性响应。

国家纳米科学中心博士研究生刘丽萱为文章第一作者,杨扬博士和魏志祥研究员为通讯作者。

论文信息:

Chiral Non-Fullerene Acceptor Enriched Bulk Heterojunctions Enable High-Performance Near-Infrared Circularly Polarized Light Detection

Lixuan Liu, Yang Yang*, Lingyun Zhu, Jianqi Zhang, Kun Chen, Zhixiang Wei*

Small

DOI: 10.1002/smll.202202941

原文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202202941