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SWIR OPDs研究:新型非富勒烯受體Y-QC4F設(shè)計(jì)合成

發(fā)表時(shí)間:2024/8/28 15:43:37

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,OPDsSWIR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)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(NFAY-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-QC4FSWIR OPDs0V偏置下,從0.41.5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。


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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14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1H13C19F 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14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-QC4FY-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-QC4FY-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。
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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-QC4FY-QC的單組分器件,并通過公式InEQE= 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-QC4FEu0.29 eV,而Y-QCEu0.43 eV,這表明Y-QC4F薄膜的能量無序和陷阱態(tài)密度降低。
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光焱科技FTPS-EQE軟件量測(cè)示意圖
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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)GeInGaAs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-QC4FY-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-QC4FOPDs0.41.3微米寬廣范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過10%EQE,推測(cè)Y-QC4FOPDs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
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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01.5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-QC4FSWIR OPDsSWIR區(qū)域具有高RD*,研究人員進(jìn)行了在1.31.4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。

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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

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            QE-R
                QE-R.jpg




文獻(xiàn)參考自Advanced Materials_DOI:10.1002/adma.20240695

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