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​吉林大学田文晶、化学所董焕丽《AM》:超高灵敏度有机紫外光敏光电晶体管,比探测率高达10^18!
信息来源:超分子结构与材料国家重点实验室      发布时间:2020-06-11

      紫外光电探测器在通信、导弹预警与跟踪、天文学、灾害天气预报、火灾预警、海洋石油污染监测、生物医学等领域有着重要的应用。作为紫外光电探测器的一种,紫外光电晶体管与传统的光电二极管相比,具有电信号放大和低噪声的独特优势。作为紫外光电晶体管有希望的候选者,有机半导体具有良好的分子可设计性、可大规模制造、低成本、机械柔性等优点。尽管有机光晶体管已经取得了重大进展,但大多数未能表现出良好的紫外灵敏度。

      光晶体管的性能取决于所用材料的光学和电学特性。光学特性决定了光电晶体管的光谱覆盖率和量子效率,而电学特性则通过载流子运输和载流子密度决定了通过器件的暗电流大小,及光照下电荷分离和收集的效率。由于报道的大多数有机半导体具有从可见光到近红外吸收的中等带隙,具有良好紫外吸收特性的理想有机半导体很少。此外,对于具有紫外吸收的宽禁带有机材料,它们通常具有有限的π共轭和弱的分子间π-π耦合,不利于实现有效的电荷传输。因此,同时集成良好紫外吸收和高载流子迁移率的优秀光电有机半导体对于高性能紫外光敏光电晶体管的构建和相关应用的发展至关重要。

      为此,吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室田文晶教授和中科院化学所董焕丽研究员团队设计并合成了两种含有大空间位阻三苯胺基团的新型芘类衍生物1,6-DTEP和2,7-DTEP,使用具有强紫外吸收的芘和三苯胺(TPAs)来实现分子的强紫外吸收,芘和TPAs则通过三键连接以延长π共轭长度,这有利于增强分子共平面性和高效的电荷传输。1,6-DTEP和2,7-DTEP具有优异的紫外吸收性能、高效的电荷输运和非常小的激子结合能。基于1,6-DTEP和2,7-DTEP的单晶有机场效应晶体管(SC-OFETs)获得了2.1cm2 V-1s-1的最高空穴迁移率。此外,基于1,6-DTEP和2,7-DTEP的SC-OFETs的光晶体管对紫外光表现出超高的灵敏度,光响应率高达2.86×106和1.04×105A W-1,比探测率(D*)高达1.49×1018和5.28×1016 Jones,优于绝大多数报道的有机紫外光电晶体管,其中比探测率为迄今为止该领域报道的最高值。这是因为这两种晶体的激子结合能相对较小,分别为59.22meV(1,6-DTEP)和71.01meV(2,7-DTEP)。相关工作以“Organic UV‐Sensitive Phototransistors Based on Distriphenylamineethynylpyrene Derivatives with Ultra‐High Detectivity Approaching 1018”为题发表在Advanced Material上。该研究为高性能紫外光电材料的设计提供了新的思路,为高性能紫外光电探测器件的构建和相关研究奠定了良好的基础。

图1:a、b)1,6-DTEP和2,7-DTEP的化学结构。c、d)1,6-DTEP和2,7-DTEP的CH2Cl2溶液和晶体的标准化紫外可见光谱。e、f)1,6-DTEP和2,7-DTEP的CH2Cl2溶液和晶体的归一化荧光光谱。


图2:a、c)1,6-DTEP和2,7-DTEP单晶的荧光显微照片。b、d)1,6-DTEP和2,7-DTEP的单晶结构。e、f)1,6-DTEP和2,7-DTEP单晶的堆积。

图3:a)用于1,6‐DTEP SC‐OFETs的晶体的AFM图像;内图:两种晶体管的光学图像(c轴和b轴)。b)1,6‐DTEP SC‐OFETs(c轴和b轴)的转移曲线。c)1,6‐DTEP SC‐OFETs(c轴)的输出曲线。d)用于2,7-DTEP SC-OFETs的晶体的AFM图像;内图:晶体管的光学图像。e、 f)2,7-DTEP SC-OFETs的转移和输出曲线。

图4:a)1,6-DTEP和2,7-DTEP单晶光电晶体管示意图。b),1,6-DTEP单晶光晶体管在相同光强不同波长的光照下与在黑暗中的“转移”特性的比较。c)2,7-DTEP单晶光晶体管在相同光强不同波长的光照下与在黑暗中的“转移”特性的比较。d–f)0.0020mW cm-2光照强度不同波长光照下VGS调节对1,6-DTEP器件性能的影响:d)P,e)R和f)D*。g–i)0.0020mW cm-2光照强度不同波长光照下VGS调节对2,7-DTEP器件性能的影响:g)P,h)R和i)D*。



表1:当前工作与典型的有机半导体和无机半导体光晶体管的比较


图5:a)1,6-DTEP温度依赖的自由激子发射强度数据。b) 2,7-DTEP温度依赖的自由激子发射强度数据。


全文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907791