高灵敏短波红外有机光电探测器

MEMS 2024-09-12 00:02

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能够在短波红外（SWIR，1–1.7 µm）范围内做出灵敏响应的光电探测器对于各种尖端技术来说具有重要应用前景，包括光通信、先进机器视觉、生物传感、遥感和未来应用的人工智能等领域。目前，由于有效光电响应超过1.3 μm的有机半导体稀缺，短波红外光电探测器市场主要由采用砷化镓（InGaAs）和磷化铟（InP）等III-V族化合物半导体的无机技术主导。然而，有机光电探测器（OPD）凭借其独特优势近期引起了广泛关注。有机光电探测器的优势主要包括：从可见光到近红外光的宽响应光谱，低暗电流密度，高通量生产的溶液可加工性。尽管有这些优势，但由于在短波红外波段缺乏与同类无机器件相比更具竞争力的高性能有机半导体，短波红外有机光学器件的发展受到了极大限制。

据麦姆斯咨询报道，近日，由华南理工大学黄飞教授课题组、北京理工大学和Luminar公司组成的研究团队解决了短波红外有机半导体光电探测器受限问题，有效光谱响应达到1.5 µm。相关研究成果以“Sensitive SWIR Organic Photodetectors with Spectral Response Reaching 1.5 µm”为题，发表在Advanced Materials期刊上。

研究人员对QC末端单元采用二氟化策略，提供新二氟取代的QC末端单元（QC-2F），构建新型超窄带隙非富勒烯受体（NFA）——Y-QC4F。值得注意的是，与非氟化NFA和Y-QC相比，Y-QC4F从溶液状态到薄膜状态表现出前所未有的283 nm红移，且共轭主链结构没有任何改变。这是迄今为止报道的窄带隙NFA的最高红移值，从而导致Y-QC4F薄膜的吸收起始值约为1.5 µm。

图1 氟化与非氟化窄带隙非富勒烯受体材料的结构与光电性能研究

此外，与薄膜中的Y-QC相比，Y-QC4F的吸收系数几乎增加了一倍，使得Y-QC4F薄膜在0.7–1.5 µm范围内具有强吸收光谱。理论计算表明，这种微妙的结构修饰对分子间堆积行为产生了深远的影响。与Y-QC相比，Y-QC4F表现出更加有序和紧凑的堆叠结构，显著减少了薄膜的能量无序性，从而增强了电荷分离和传输。

图2 密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟下的顶视图与侧视图分析

随后，研究人员采用Y-QC4F制备了光电二极管型短波红外有机光电探测器，在0.4–1.3 µm的广阔区域内实现了超过10%的外部量子效率（EQE）响应。因此，在0 V偏压下，可以在0.4 µm至1.5 µm范围内实现D*超过10¹¹Jones，在1.16 µm时最大达到1.68 × 10¹²Jones。研究人员还对该短波红外有机光电探测器的光电机制和活性层进行了探究。

图3 基于Y-QC4F的有机光电探测器性能综合评估

最后，研究人员利用该有机光电探测器进行了短波红外成像。实验研究表明，即使在1.3 µm和1.4 µm波长照明下，使用基于Y-QC4F的短波红外有机光电探测器也能成功实现高质量短波红外成像。这项研究为短波红外光学器件的窄带隙NFA分子设计提供了一些线索，即使在1.4 µm照射下，该有机光电探测器也表现出与商用InGaAs光电探测器相媲美的高质量短波红外成像性能。