高灵敏度二维有机晶体/石墨烯异质结光电探测器

基于有机半导体的光电器件与无机半导体相比,其光吸取层(有机小分子或聚合物)可以通过打印的方式进行大面积制备,成本低廉、对环境的危害小、与柔性衬底兼容。然而,有机半导体中的激子扩散距离短(通常在10nm量级),载流子迁移率低,严重限制了光电器件的量子效率和响应时间。将有机半导体与石墨烯形成异质结,制备敏化型光电晶体管,可以结合有机半导体的光谱敏感特性与石墨烯的高迁移率,提高光电器件的量子效率与带宽。由于光生激子的分离过程发生在有机半导体/石墨烯界面处,界面质量直接决定了这类器件的性能。前期研究主要集中在溶液法制备有机半导体层,对于界面质量无法控制和表征,且有机半导体的厚度大于激子扩散长度,难以实现激子的高效分离。

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针对上述问题,云顶娱乐官网的王欣然、施毅教授课题组与东南大学、上海技术物理研究所、美国威斯康星大学麦迪逊分校和香港中文大学等单位合作,在石墨烯上实现了高质量二维C8-BTBT分子晶体的范德华外延生长,并制备了高性能敏化光电晶体管。研究人员通过优化工艺,可以精准生长单层和少层的C8-BTBT晶体,发现单层C8-BTBT(厚度小于3纳米)就表现出了很明显的光电响应:响应度高达1.57×104A/W,响应时间25ms,增益超过108。优异的器件性能归结于极高的C8-BTBT晶体质量与C8-BTBT/石墨烯界面质量,前者可以有效降低激子在有机晶体中的复合几率,而后者可以使激子有效分离。研究人员进而系统研究了光电晶体管性能随C8-BTBT厚度的演化,发现外量子效率随厚度线性增加,但是响应时间逐渐变慢。在少层C8-BTBT/石墨烯光电晶体管中,界面内量子效率高达41%,增益超过109,均达到了同类器件中的最高指标。该工作发表于Advanced Materials(DOI/10.1002/adma.201600400),证明了提高有机界面质量对于微观激子输运过程以及宏观光电响应的重要作用,为设计高性能有机光电探测器提供了新思路。

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