窄帶光電探測器在全色顯示和近紅外成像中有著重要應用。同時其也在一些新興的智能系統，例如全天候機器人和自動駕駛系統中，展示出廣闊的應用前景。目前商用的窄帶光電探測器是通過無機硅光電二極管耦合光學濾光片來實現。與無機半導體相比，有機半導體在需要廉價、柔性和可光譜調制的領域展現出更大的應用潛力。然而有機半導體中光生Frenkel激子過高的束縛能和過短的擴散長度卻給它們在光子-電子轉換器件中的應用帶來了挑戰。因此，此前學界多把目光聚焦在通過分子改性和形貌調控等手段協助光生Frenkel激子的解離。
近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室曹鏞院士與黃飛教授團隊發現Frenkel激子的這些固有屬性實際上為有機半導體實現窄帶光電探測功能提供了先決條件。團隊研究人員創新性地提出了一種新型器件結構及設計理念，通過調控定域的光生Frenkel激子離解，制備無外置濾光片的高性能窄帶有機光電探測器，該器件結構的核心在于由較寬帶隙的有機電子給體材料與較窄帶隙的有機電子受體材料構成的多級結構（圖1）。
圖1.（a）所用材料的化學結構式；（b）飛行時間二次離子質譜深度剖析測試曲線；（c）重構的三維負離子圖像；（d）自濾光窄帶有機光電探測器的基本器件結構示意圖；（e）-0.1 V偏壓下自濾光窄帶有機光電探測器和參考器件的外量子效率曲線。
在器件的工作狀態下，在給體前層中受高能光子激發所產生的定域Frenkel激子在其有限的壽命內難以擴散到給/受體分離界面，未能有效地解離成自由電荷，因而最終弛豫回基態；只有穿透距離較深的低能光子才能到達給/受體界面，并在耗盡區內激發受體及少部分給體產生可解離成自由電荷的激子，研究人員將這一工作機理命名為“激子解離窄化”（EDN，圖2）。
圖2.（a）光致發光衰減曲線；（b）光生激子濃度分布曲線；（c）激子解離窄化原理示意圖。
測試結果表明，該策略在有效壓制探測窗口外光譜響應的同時，能夠很大程度地保持對檢測光譜波段的探測靈敏度；多層膜結構提高了外電路電荷的注入勢壘，有效地抑制了暗電流密度，提高了比探測率；此外，電中性的Frenkel激子賦予了探測器電學穩定的光譜選擇特性，因而在-10 V的外加偏壓下仍能保持窄帶響應特征。最終器件在探測光波長為860 nm處，獲得了峰值外量子效率達65%，半峰寬為72 nm，峰值比探測率超過 1013 Jones的自濾光窄帶有機光探測器（圖3）。
圖3.（a）所用材料的能級圖；（b）橫截面掃描電子顯微鏡圖像；（c）歸一化紫-外可見吸收光譜圖；（d）在不同偏壓下的外量子效率曲線；（e）在光照和暗態下的電流密度-電壓曲線；（f）由暗電流密度計算得到的比探測率曲線。
探測峰的位置和半峰寬是評價窄帶光電探測器的重要指標，該策略可以通過簡單地調整給體材料和受體材料的組合，實現二者的調節。研究人員將這一理念施用于其他幾種常用的有機半導體材料，并獲得了探測峰分別在910 nm和940 nm、半峰寬約為50 nm、比探測率約為1013 Jones的自濾光窄帶有機光電探測器（圖4），證實了EDN機理的普適性。這種新型器件結構及其設計理念有助于有機半導體制造低成本、高可靠性的窄帶有機光電探測器，為成像系統的產業發展注入新的動力。
圖4.（a）基于雙給體層的自濾光窄帶有機光電探測器的結構示意圖；（b）所用給體材料、受體材料和自濾光空穴傳輸層材料的化學結構式；（c）歸一化的外量子效率曲線；（d）暗電流密度曲線；（e）基于DT-PDPP2T-TT/Y6和（f） DT-PDPP2T-TT/IEICO-4F的光電探測器的比探測率曲線。
以上成果近期發表在Nature Communications (Nat. Commun. 2020, 11, 2871)上。論文的第一作者為博士生解博名和博士后謝銳浩，通訊作者為張凱博士和黃飛教授。
論文鏈接 https://doi.org/10.1038/s41467-020-16675-x
- 華南理工大學黃飛/應磊教授等 CEJ：纖維多相態形貌實現高效有機光探測器 2022-09-23
