導讀目錄

1.       關于有機光電探測器（OPDs）的發展挑戰

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優異成效

關于有機光電探測器（OPDs）的發展挑戰

在光電科技的世界中，有機光電探測器（OPDs）一直在挑戰短波長紅外（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光譜的表現依然有所欠缺，這主要歸因于缺乏能有效響應超過1.3微米波長的有機半導體材料。然而，傳統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，華南理工大學黃飛老師團隊于 Advanced Materials八月號(DIO:10.1002/adma.20240695)發表了開發新型的非富勒烯受體（NFA）Y-QC4F的研究，成功突破了傳統有機半導體的限制。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。這一微小的結構調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微米的波長范圍內實現了優異的探測度，最高達到1.68 × 10^12 Jones，展現出與商業化InGaAs探測器相媲美的高質量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勢如下:

1.    廣泛的響應光譜：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進行制造，這允許高通量生產，從而降低成本并提高生產效率。

然而，盡管存在上述的材料優勢，OPDs在短波長紅外（SWIR）區域的性能與傳統無機半導體材料（如InGaAs）相比仍然較差。團隊的研究目標是開發具有高性能的OPDs，特別是在SWIR區域，以縮小與傳統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品進行全面的結構表征。

3.      質譜分析：材料合成：描述了化合物1和4的合成路線，以及其他中間產物的合成步驟和條件。
使用設備: 使用基質輔助激光解析離子化飛行時間質譜（MALDI-TOF）和液相色譜質譜（LC-MS）。

4.      熱性質分析：通過熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）研究材料的熱穩定性。

5.      瞬態光電壓（TPV）和電荷提?。?/span>CE）技術：用于調查基于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換效率。

作為評估非富勒烯受體（NFAs）陷阱態密度的一種方法。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。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性的表征參數，還能通過軟件的配合，實現高效的ΔΕ1量測模式。此外， FTPS(型號:PECT-600)設備專門針對Urbach能量（Eu）進行必要的參數分析，有效表明Y-QC4F薄膜的能量無序和陷阱態密度降低

。光焱科技的完整分析系統可將上述設備的數據直接執行導入與導出，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鍵參數，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Ge和InGaAs探測器進行比較。

11.     線性動態范圍（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優異成效

團隊設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構修改，不僅促進了分子內的電荷轉移（CT）效應，而且還顯著增強了分子間的堆積秩序和密度，導致Y-QC從溶液到薄膜狀態下的吸收紅移達到了283納米。與未經過氟化的Y-QC相比，Y-QC4F薄膜實現了吸收系數的翻倍，吸收起始波長可達1.5微米，相對介電常數增加，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微米寬廣范圍內實現了超過10%的EQE，推測Y-QC4F基OPDs中較淺的陷阱態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區域也實現了更高的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，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的SWIR成像。這項研究為超窄帶隙NFAs的分子設計提供了有效的指導方向，以實現與商業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的應用前景。單像素SWIR光學成像的實驗設置如圖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分析儀器收集。在“SCUT”圖案下的成像結果。

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有所降低，但SWIR OPD仍然提供相對高分辨率的圖像。這些結果表明，基于Y-QC4F的OPDs在SWIR光學成像應用中具有巨大潛力。

推薦設備

             FTPS

            QE-R
               

文獻參考自Advanced Materials_DOI：10.1002/adma.20240695

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