導(dǎo)讀目錄
1. 關(guān)于有機(jī)光電探測(cè)器（OPDs）的發(fā)展挑戰(zhàn)
2. 如何提升有機(jī)光電探測(cè)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(jī)光電探測(cè)器（OPDs）的發(fā)展挑戰(zhàn)
在光電科技的世界中，有機(jī)光電探測(cè)器（OPDs）一直在挑戰(zhàn)短波長(zhǎng)紅外（SWIR）范疇的極限。與目前市場(chǎng)主導(dǎo)的鉬鎵砷（InGaAs）無機(jī)光電探測(cè)器相比，OPDs在SWIR光譜的表現(xiàn)依然有所欠缺，這主要?dú)w因于缺乏能有效響應(yīng)超過1.3微米波長(zhǎng)的有機(jī)半導(dǎo)體材料。然而，傳統(tǒng)的有機(jī)半導(dǎo)體在面對(duì)能隙定律的限制時(shí)，往往受限于非輻射躍遷的影響，導(dǎo)致其外部量子效率（EQE）無法達(dá)到理想值。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，華南理工大學(xué)黃飛老師團(tuán)隊(duì)于 Advanced Materials八月號(hào)(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(jī)半導(dǎo)體的限制。研究團(tuán)隊(duì)通過引入二氟取代喹諾基末端基團(tuán)（QC-2F），使Y-QC4F的帶隙達(dá)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(qiáng)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(zhǎng)達(dá)到1.5微米，同時(shí)有效抑制了非輻射復(fù)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(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的探測(cè)度，最高達(dá)到1.68 × 10^12 Jones，展現(xiàn)出與商業(yè)化InGaAs探測(cè)器相媲美的高質(zhì)量SWIR成像性能。
如何提升有機(jī)光電探測(cè)器（OPDs）限制性
研究團(tuán)隊(duì)選擇有機(jī)光電探測(cè)器（OPDs）作為主要研究材料的原因是因?yàn)樗鼈兙哂械膬?yōu)勢(shì)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(jī)光電探測(cè)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(jìn)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(shì)，OPDs在短波長(zhǎng)紅外（SWIR）區(qū)域的性能與傳統(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)體材料（如InGaAs）相比仍然較差。團(tuán)隊(duì)的研究目標(biāo)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(jī)光電探測(cè)器之間的性能差距，做出了以下的實(shí)驗(yàn)及量測(cè)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(duì)所有中間體和產(chǎn)品進(jìn)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(shí)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(fù)合。
6. 電荷載流子壽命和密度計(jì)算：從TPV衰變動(dòng)態(tài)和CE曲線在不同光照強(qiáng)度下計(jì)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(cè)量：在黑暗條件下測(cè)量單電子和單孔的遷移率。
8. 空間電荷極限電流（SCLC）方法：測(cè)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(cè)定材料的光電轉(zhuǎn)換效率。
作為評(píng)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(cè)量的，這可以用來評(píng)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(jì)算得出Eu值，其中hv是光子能量，c是常數(shù)。測(cè)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(cè)示意圖
研究團(tuán)隊(duì)采用了光焱科技 QE-R外量子效率量測(cè)方案，不僅能為有機(jī)光電探測(cè)器OPDs提供了精準(zhǔn)且高重現(xiàn)性的表征參數(shù)，還能通過軟件的配合，實(shí)現(xiàn)高效的ΔΕ1量測(cè)模式。此外， FTPS(型號(hào):PECT-600)設(shè)備專門針對(duì)Urbach能量（Eu）進(jìn)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(dǎo)入與導(dǎo)出，有效簡(jiǎn)化了原本繁瑣且需要大量計(jì)算驗(yàn)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(fù)荷和人為計(jì)算錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。
10. 檢測(cè)度（D*）測(cè)量：評(píng)估器件的實(shí)際檢測(cè)度，并與商業(yè)Ge和InGaAs探測(cè)器進(jìn)行比較。
11. 線性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）計(jì)算：評(píng)估光探測(cè)器在不同入射光強(qiáng)度下的線性響應(yīng)能力。
12. 噪聲電流測(cè)量：在黑暗條件和0V偏壓下測(cè)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一種具有電子負(fù)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(xué)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(jìn)了分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移（CT）效應(yīng)，而且還顯著增強(qiáng)了分子間的堆積秩序和密度，導(dǎo)致Y-QC從溶液到薄膜狀態(tài)下的吸收紅移達(dá)到了283納米。與未經(jīng)過氟化的Y-QC相比，Y-QC4F薄膜實(shí)現(xiàn)了吸收系數(shù)的翻倍，吸收起始波長(zhǎng)可達(dá)1.5微米，相對(duì)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(zhǎng)的載流子壽命和更低的非輻射復(fù)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(shí)現(xiàn)了超過10%的EQE，推測(cè)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(shí)現(xiàn)了更高的EQE。
Y-QC4F基器件的較小有效帶隙被認(rèn)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(dá)到最大值1.68 × 10^12 Jones。此外，即使在1.4微米波長(zhǎng)LED照射下，也成功獲得了高品質(zhì)的SWIR成像。這項(xiàng)研究為超窄帶隙NFAs的分子設(shè)計(jì)提供了有效的指導(dǎo)方向，以實(shí)現(xiàn)與商業(yè)InGaAs光電探測(cè)器競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)行了在1.3和1.4微米光源照射下的單像素SWIR光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)，以探索所獲得的OPDs的應(yīng)用前景。單像素SWIR光學(xué)成像的實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖7a所示，分辨率為40×20，步長(zhǎng)為1毫米。
圖7. a) SWIR單點(diǎn)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(dǎo)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(gè)帶有“SCUT”圖案的不銹鋼面罩，放在一個(gè)可以沿水平（X軸）和垂直（Y軸）方向移動(dòng)的電控二維移動(dòng)平臺(tái)上，以聚焦于SWIR OPDs。在0V偏壓下，通過半導(dǎo)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(jìn)行記錄。如圖7b、c所示，基于Y-QC4F的SWIR OPD在1.3微米波長(zhǎng)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(dāng)使用較長(zhǎng)波長(zhǎng)的1.4微米LED照明時(shí)，盡管在相同入射光強(qiáng)度下其光響應(yīng)有所降低，但SWIR OPD仍然提供相對(duì)高分辨率的圖像。這些結(jié)果表明，基于Y-QC4F的OPDs在SWIR光學(xué)成像應(yīng)用中具有巨大潛力。
推薦設(shè)備
FTPS
QE-R
文獻(xiàn)參考自Advanced Materials_DOI：10.1002/adma.20240695
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