導讀目錄
1. 關(guān)于有機光電探測器（OPDs）的發(fā)展挑戰(zhàn)
2. 如何提升有機光電探測器（OPDs）限制性
3. Y-QC4F光電二極管型SWIR OPDs優(yōu)異成效
關(guān)于有機光電探測器（OPDs）的發(fā)展挑戰(zhàn)
在光電科技的世界中，有機光電探測器（OPDs）一直在挑戰(zhàn)短波長紅外（SWIR）范疇的極限。與目前市場主導的鉬鎵砷（InGaAs）無機光電探測器相比，OPDs在SWIR光譜的表現(xiàn)依然有所欠缺，這主要歸因于缺乏能有效響應(yīng)超過1.3微米波長的有機半導體材料。然而，傳統(tǒng)的有機半導體在面對能隙定律的限制時，往往受限于非輻射躍遷的影響，導致其外部量子效率（EQE）無法達到理想值。
針對這一挑戰(zhàn)，華南理工大學黃飛老師團隊于 Advanced Materials八月號(DIO:10.1002/adma.20240695)發(fā)表了開發(fā)新型的非富勒烯受體（NFA）Y-QC4F的研究，成功突破了傳統(tǒng)有機半導體的限制。研究團隊通過引入二氟取代喹諾基末端基團（QC-2F），使Y-QC4F的帶隙達到了極低的0.83電子伏特。這一微小的結(jié)構(gòu)調(diào)整顯著增強了分子間的堆積順序和密度，使Y-QC4F薄膜的吸收光譜起始波長達到1.5微米，同時有效抑制了非輻射復合現(xiàn)象。
基于Y-QC4F的SWIR OPDs在0V偏置下，從0.4到1.5微米的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了優(yōu)異的探測度，最高達到1.68 × 10^12 Jones，展現(xiàn)出與商業(yè)化InGaAs探測器相媲美的高質(zhì)量SWIR成像性能。
如何提升有機光電探測器（OPDs）限制性
研究團隊選擇有機光電探測器（OPDs）作為主要研究材料的原因是因為它們具有的優(yōu)勢如下:
1. 廣泛的響應(yīng)光譜：OPDs能夠覆蓋從可見光到近紅外（NIR）光的廣泛光譜范圍。
2. 低暗電流密度：與無機光電探測器相比，OPDs在黑暗條件下的暗電流密度較低。
3. 溶液可加工性：OPDs可以使用溶液加工技術(shù)進行制造，這允許高通量生產(chǎn)，從而降低成本并提高生產(chǎn)效率。
然而，盡管存在上述的材料優(yōu)勢，OPDs在短波長紅外（SWIR）區(qū)域的性能與傳統(tǒng)無機半導體材料（如InGaAs）相比仍然較差。團隊的研究目標是開發(fā)具有高性能的OPDs，特別是在SWIR區(qū)域，以縮小與傳統(tǒng)無機光電探測器之間的性能差距，做出了以下的實驗及量測手法:
1. 材料合成：化合物1和4的合成路線，以及其他中間產(chǎn)物的合成步驟和條件。
2. 核磁共振（NMR）光譜分析：使用1H、13C和19F NMR光譜對所有中間體和產(chǎn)品進行全面的結(jié)構(gòu)表征。
3. 質(zhì)譜分析：材料合成：描述了化合物1和4的合成路線，以及其他中間產(chǎn)物的合成步驟和條件。
使用設(shè)備: 使用基質(zhì)輔助激光解析離子化飛行時間質(zhì)譜（MALDI-TOF）和液相色譜質(zhì)譜（LC-MS）。
4. 熱性質(zhì)分析：通過熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）研究材料的熱穩(wěn)定性。
5. 瞬態(tài)光電壓（TPV）和電荷提取（CE）技術(shù)：用于調(diào)查基于Y-QC4F和Y-QC的器件中的電荷雙分子復合。
6. 電荷載流子壽命和密度計算：從TPV衰變動態(tài)和CE曲線在不同光照強度下計算載流子壽命（τ）和載流子密度（n）。
7. 光電流密度（J）與電壓（V）特性的測量：在黑暗條件下測量單電子和單孔的遷移率。
8. 空間電荷極限電流（SCLC）方法：測量基于Y-QC4F和Y-QC的器件的單電子（μe）和單孔（μh）遷移率。
9. 傅立葉變換光電流譜外部量子效率（FTPS-EQE）：用于測定材料的光電轉(zhuǎn)換效率。
作為評估非富勒烯受體（NFAs）陷阱態(tài)密度的一種方法。具體來說，Urbach能量（Eu）是通過FTPS-EQE光譜測量的，這可以用來評估陷阱態(tài)密度。在文件的第一部分，提到了使用FTPS-EQE光譜來表征基于Y-QC4F和Y-QC的單組分器件，并通過公式In（EQE）= hv/ Eu + c計算得出Eu值，其中hv是光子能量，c是常數(shù)。測得Y-QC4F的Eu為0.29 eV，而Y-QC的Eu為0.43 eV，這表明Y-QC4F薄膜的能量無序和陷阱態(tài)密度降低。
光焱科技FTPS-EQE軟件量測示意圖
研究團隊采用了光焱科技 QE-R外量子效率量測方案，不僅能為有機光電探測器OPDs提供了精準且高重現(xiàn)性的表征參數(shù)，還能通過軟件的配合，實現(xiàn)高效的ΔΕ1量測模式。此外， FTPS(型號:PECT-600)設(shè)備專門針對Urbach能量（Eu）進行必要的參數(shù)分析，有效表明Y-QC4F薄膜的能量無序和陷阱態(tài)密度降低
。光焱科技的完整分析系統(tǒng)可將上述設(shè)備的數(shù)據(jù)直接執(zhí)行導入與導出，有效簡化了原本繁瑣且需要大量計算驗證的研究流程，從而成功獲取器件各階段所需的關(guān)鍵參數(shù)，并降低了程序負荷和人為計算錯誤的風險。
10. 檢測度（D*）測量：評估器件的實際檢測度，并與商業(yè)Ge和InGaAs探測器進行比較。
11. 線性動態(tài)范圍（LDR）計算：評估光探測器在不同入射光強度下的線性響應(yīng)能力。
12. 噪聲電流測量：在黑暗條件和0V偏壓下測量基于Y-QC4F和Y-QC的器件的總噪聲電流。
Y-QC4F光電二極管型SWIR OPDs優(yōu)異成效
團隊設(shè)計并合成了一種具有電子負性的二氟取代喹啉端基（QC-2F）單元，用以構(gòu)建一種新的非富勒烯受體（NFA），即Y-QC4F，其具有超低的光學帶隙為0.83電子伏特。這種通過二氟取代的微小結(jié)構(gòu)修改，不僅促進了分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移（CT）效應(yīng)，而且還顯著增強了分子間的堆積秩序和密度，導致Y-QC從溶液到薄膜狀態(tài)下的吸收紅移達到了283納米。與未經(jīng)過氟化的Y-QC相比，Y-QC4F薄膜實現(xiàn)了吸收系數(shù)的翻倍，吸收起始波長可達1.5微米，相對介電常數(shù)增加，能量無序減少。因此，基于Y-QC4F的光電二極管型SWIR OPDs展現(xiàn)出更高且更平衡的載流子遷移率、更長的載流子壽命和更低的非輻射復合，這使得在0伏特偏壓下，EQE響應(yīng)比基于Y-QC的器件更高。Y-QC4F基OPDs在0.4到1.3微米寬廣范圍內(nèi)實現(xiàn)了超過10%的EQE，推測Y-QC4F基OPDs中較淺的陷阱態(tài)密度增加減少了光激活電荷載流子在照射下的陷阱輔助捕獲，從而即使在SWIR區(qū)域也實現(xiàn)了更高的EQE。
Y-QC4F基器件的較小有效帶隙被認為是其較高暗電流的主要原因。值得注意的是，在0到1.5微米的范圍內(nèi)，D*超過了10^11 Jones，在1.16微米處達到最大值1.68 × 10^12 Jones。此外，即使在1.4微米波長LED照射下，也成功獲得了高品質(zhì)的SWIR成像。這項研究為超窄帶隙NFAs的分子設(shè)計提供了有效的指導方向，以實現(xiàn)與商業(yè)InGaAs光電探測器競爭性能的SWIR OPDs。
考慮到基于Y-QC4F的SWIR OPDs在SWIR區(qū)域具有高R和D*，研究人員進行了在1.3和1.4微米光源照射下的單像素SWIR光學成像實驗，以探索所獲得的OPDs的應(yīng)用前景。單像素SWIR光學成像的實驗設(shè)置如圖7a所示，分辨率為40×20，步長為1毫米。
圖7. a) SWIR單點成像應(yīng)用的操作原理圖像。使用帶有“SCUT”圖案的不銹鋼板作為掩模。在0 V偏壓下收集的光電流由半導體參數(shù)分析儀器收集。在“SCUT”圖案下的成像結(jié)果。
在SWIR LED前面，放置了一個帶有“SCUT”圖案的不銹鋼面罩，放在一個可以沿水平（X軸）和垂直（Y軸）方向移動的電控二維移動平臺上，以聚焦于SWIR OPDs。在0V偏壓下，通過半導體參數(shù)分析儀記錄光電流。在SWIR光照射下，SWIR OPD只接收穿過不銹鋼面罩的SWIR光，產(chǎn)生光電流進行記錄。如圖7b、c所示，基于Y-QC4F的SWIR OPD在1.3微米波長LED照明下捕獲到光電流的高分辨率圖像，清晰地再現(xiàn)了字母圖案的邊界。令人印象深刻的是，當使用較長波長的1.4微米LED照明時，盡管在相同入射光強度下其光響應(yīng)有所降低，但SWIR OPD仍然提供相對高分辨率的圖像。這些結(jié)果表明，基于Y-QC4F的OPDs在SWIR光學成像應(yīng)用中具有巨大潛力。
推薦設(shè)備
FTPS
QE-R
文獻參考自Advanced Materials_DOI：10.1002/adma.20240695
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