具有超窄带响应的倍增型有机光电探测器

　　窄带响应光电探测器由于具有光谱选择性，使其在监测、荧光显微及国防等许多领域有重要的应用，这些应用的共同点是需要在特定入射光窗口产生大的响应，而在所需窗口以外的波段响应较低或者没有响应。由于有机材料通常具有较宽的吸收光谱范围，制备无滤光片、超窄带响应的有机光电探测器是较困难的，而实现超窄响应的倍增型有机光电探测器更是一个巨大的挑战。近来，北京交通大学张福俊课题组在超窄带响应的倍增型有机光电探测器的研究中取得了新进展。研究人员通过利用厚膜P3HT:PCBM (100:1)作为活性层成功实现了响应半高全宽（FWHM）小于30 nm、外量子效率（EQE）达到53500%的超窄带响应倍增型有机光电探测器，其FWHM和EQE均创造了新的纪录。相关成果发表在Nano Letters, 17, 1995 (2017)上。 

　　在北京同步辐射装置（BSRF）光电子能谱实验站（4B9B）验证了器件活性层经过较短自组装时间可以使得Al电极附近保持较大的PCBM含量，进而增强了电子诱导的空穴隧穿注入，极大的提高了器件的响应度。随后，该研究组通过模拟器件ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM (100:1)/Al中的光场分布发现，当活性层厚度增加到2.5 μm时，在短波段（< 630 nm）的入射光可以被活性层完全吸收，而长波段（>630 nm）的入射光则可以到达铝电极，从而使入射光与经铝电极的反射光在活性层中形成稳定的干涉现象。通过制备一系列不同厚度活性层的器件并表征其在-20 V偏压下的EQE发现，活性层厚度增加到2.5 μm时，器件在短波段几乎没有响应，只在长波段650 nm附近有较窄的响应，其FWHM只有27 nm，且650 nm处的EQE值为600%，成功实现了窄光谱响应的光电倍增型有机光电探测器。逐渐增大外加偏压到-60 V，其最大EQE值达到了53500%，抑制比（650 nm与520 nm处的EQE比值）达到了2020，更重要的是，响应光谱的FWHM并不随偏压的增大而展宽，仍然可以维持在小于30 nm。此外，少量的PCBM限制了陷阱电子在活性层的传输，使得P3HT:PCBM (100:1)器件在大偏压下仍然可以保持窄带响应，证明了其在窄带探测方面的潜在应用价值。近期，研究人员在此项研究成果基础上，成功制备出双向（正/反偏压、顶/底入射）响应倍增型有机光电探测器，器件在不同的工作模式下分别具有超宽/超窄响应特性。这种三明治结构的器件有利于将其集成在光电系统中，有望推动有机柔性集成光电子产业的发展。 

　　“最近，张等人在P3HT:PCBM体系中通过使用少量的PCBM作为电子陷阱实现了光电倍增效应。随后，他们在P3HT：PCBM中进一步掺杂P29（PTB7-Th），形成三元体异质结体系，将其响应光谱范围扩展到了近红外波段。器件在反向偏压下，在紫外-可见光-红外范围内都能够实现很高的EQE，并且同时还能保持较低的暗电流。这一发现为解决近红外光电探测器响应度低、暗电流大的问题，指明了一个重要的研究方向。”，有机电子学领域权威专家、诺贝尔奖获得者Alan J. Heeger教授在Chem. Soc. Rev., 45, 4825 (2016)中给予了这个工作高度的评价。同时，这一成果被编入英文专著《Photodetectors》。 

　　发表文章： 

Wenbin Wang, Fujun Zhang*, Mingde Du, Lingliang Li, Miao Zhang, Kai Wang, Yongsheng Wang, Bin Hu, Ying Fang* , and Jinsong Huang*, Highly Narrowband Photomultiplication Type Organic Photodetectors. Nano Letters, 17, (2017), 1995-2002.