前言

短波紅外光（SWIR）光電探測(cè)器應(yīng)用廣泛，但有機(jī)半導(dǎo)體光電探測(cè)器（OPDs）的性能受限于陷阱態(tài)。AM.斯旺西大學(xué)Ardalan Armin團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials發(fā)表的研究提出了一種名為“陷阱摻雜"的新技術(shù)，通過(guò)在有機(jī)半導(dǎo)體中引入少量客體分子，增強(qiáng)SWIR光響應(yīng)，顯著提升了OPDs的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可使器件在SWIR和可見(jiàn)光波段的比探測(cè)率（D）分別達(dá)到約10? Jones和1012 Jones，線性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）分別超過(guò)110 dB和220 dB，展現(xiàn)了其在高性能寬帶光電探測(cè)領(lǐng)域的巨大潛力。

導(dǎo)讀目錄

1.           前言

2.           研究目的

3.           研究方法

4.           器件與表征

5.           結(jié)論

研究目的

1. 提升有機(jī)半導(dǎo)體光電探測(cè)器（OPD）在短波紅外光（SWIR）范圍的光檢測(cè)能力。

2. 利用中隙陷阱態(tài)增強(qiáng)SWIR光響應(yīng)。

3. 通過(guò)中隙陷阱態(tài)的上轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)增強(qiáng)光檢測(cè)效率。

4. 引入陷阱摻雜技術(shù)，在塊狀異質(zhì)結(jié)（BHJs）光電二極體中加入客體有機(jī)分子以創(chuàng)造SWIR光響應(yīng)。

5. 展示一個(gè)可見(jiàn)光到SWIR寬帶OPD的概念驗(yàn)證，以達(dá)到或超越目前性能水平。

6. 將“陷阱摻雜"方法推廣至不同光譜窗口，將其限制轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣卣?，從而開(kāi)拓新的光電探測(cè)工程學(xué)模式。

研究方法

研究團(tuán)隊(duì)使用了「陷阱摻雜」（trap-doping）的方法來(lái)進(jìn)行研究。研究人員在有機(jī)半導(dǎo)體的給體：受體主系統(tǒng)中故意加入少量客體有機(jī)分子，從而實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光到SWIR的寬帶光電探測(cè)。這種方法不僅證明了概念的可行性，還展示了在關(guān)鍵光電探測(cè)器性能指針上接近或超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的潛力。研究人員選擇和評(píng)估客體有機(jī)分子的方法包括以下幾個(gè)步驟：

1. 材料選擇：據(jù)所需的能量水平對(duì)齊和材料的化學(xué)兼容性來(lái)選擇潛在的客體有機(jī)分子。

2. 理論計(jì)算：使用計(jì)算化學(xué)方法，如密度泛函理論（DFT）計(jì)算，來(lái)預(yù)測(cè)客體分子的能級(jí)和它們與給體和受體材料的相互作用。

3. 實(shí)驗(yàn)合成：選擇幾種有潛力的客體分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)合成，并使用光電子能譜（如紫外光電子能譜，UPS）和循環(huán)伏安法（CV）等技術(shù)來(lái)確定它們的HOMO和LUMO能級(jí)。

4. 器件制備：將選定的客體分子摻入到給體-受體系統(tǒng)中，制作出光電探測(cè)器器件。

5. 數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化：分析從實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，以確定哪種客體分子能夠提供最佳的性能提升。

6. 優(yōu)化選擇：基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇能夠在目標(biāo)光譜范圍內(nèi)提供最佳光響應(yīng)和整體性能的客體分子。

器件與表征

1. 外部量子效率（EQE）測(cè)量： 使用分光亮度計(jì)作為光源，并在樣品架上進(jìn)行測(cè)量，用于評(píng)估 OPD 對(duì)不同波長(zhǎng)光子的轉(zhuǎn)換效率。
        
        
        
        
        推薦使用Enlitech 的 FTPS，高靈敏度的光電流和外量子效率 (HS-EQE) 光譜系統(tǒng)。它利用傅里葉變換信號(hào)處理技術(shù)來(lái)增強(qiáng)和突破光電流信號(hào)檢測(cè)極限。

光焱科技FTPS現(xiàn)場(chǎng)裝機(jī)示意圖

2. 噪聲頻譜密度（NSD）分析： 在黑暗環(huán)境中測(cè)量，使用前置放大器和信號(hào)分析儀，用于評(píng)估 OPD 在不同頻率下的噪聲水平。

3. 噪聲電流測(cè)量： 在黑暗環(huán)境中進(jìn)行，使用類(lèi)似的設(shè)備設(shè)置，測(cè)量 OPD 在黑暗條件下的電流噪聲。

4. 線性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）測(cè)量： 使用激光器，并通過(guò)濾光輪進(jìn)行光強(qiáng)衰減，用于確定 OPD 在不同光強(qiáng)下的響應(yīng)范圍。

5. 器件結(jié)構(gòu)和材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析： 用于了解 OPD 的組成和結(jié)構(gòu)。

6. 電流密度-電壓曲線測(cè)量： 在人工太陽(yáng)光照（AM1.5G 條件）下進(jìn)行，用于分析 OPD 在不同電壓下的電流響應(yīng)。
        Enlitech的SS-X 太陽(yáng)光模擬器 AM1.5G 濾光片采用先進(jìn)的等離子沉積技術(shù)制成，光譜精度高，使用壽命長(zhǎng)，可以提供穩(wěn)定和連續(xù)的輻照度來(lái)照射被測(cè)太陽(yáng)能電池，避免由于這些太陽(yáng)能電池響應(yīng)時(shí)間慢而導(dǎo)致的表征錯(cuò)誤。
        
        

光焱科技SS-X現(xiàn)場(chǎng)裝機(jī)示意圖

結(jié)論

本研究成功地展示了兩種增強(qiáng)有機(jī)半導(dǎo)體光電探測(cè)器（OPD）在短波紅外光（SWIR）范圍內(nèi)光檢測(cè)效率的方法：通過(guò)中隙陷阱態(tài)的上轉(zhuǎn)換和“陷阱摻雜"技術(shù)。

l  前者通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料組成，例如將1%重量的PTTQ(HD)添加到PM6基質(zhì)中，可將1310 nm波長(zhǎng)下的EQE從9.28×10^-6% 提升至1.96×10^-2%。

l  后者通過(guò)在給體-受體主系統(tǒng)中摻入少量客體有機(jī)分子，利用中隙陷阱態(tài)提升SWIR光響應(yīng)，顯著提高了EQE和特定檢測(cè)率（D*），同時(shí)保持了寬廣的線性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）。

這些發(fā)現(xiàn)預(yù)期將在需要高靈敏度SWIR檢測(cè)的各種應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，如監(jiān)控、質(zhì)量控制、生物成像和機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域。

文獻(xiàn)參考自Advanced Materlals 23 July 2024_DOI: 10.1002/adma.202405061

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