有機(jī)光電探測(cè)器是一種能夠把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電器件，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、成像傳感器、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)過(guò)程控制等很多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。

以有機(jī)光電晶體管為基礎(chǔ)的光電探測(cè)器，可以同時(shí)通過(guò)柵電壓和入射光對(duì)溝道電流進(jìn)行調(diào)控，與傳統(tǒng)的光電二極管相比具有高增益，高電流和低噪聲等優(yōu)勢(shì)。盡管有機(jī)光電晶體管已經(jīng)有大量的報(bào)道，但是它們往往只對(duì)某一波段的入射光有響應(yīng)，而能夠從紫外至近紅外光譜范圍內(nèi)都有響應(yīng)的寬光譜有機(jī)光電晶體管鮮有報(bào)道。要制備這種有機(jī)光電晶體管，其中具有高遷移率和寬光譜吸收的有機(jī)半導(dǎo)體是不可或缺的關(guān)鍵材料。

近日，東南大學(xué)智能材料研究院和化學(xué)化工學(xué)院李全院士團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士團(tuán)隊(duì)合作，在寬光譜有機(jī)光電晶體管方面取得了重要進(jìn)展。

他們通過(guò)溶劑相界面自組裝的方法，成功的制備了一種高度有序的n型有機(jī)單晶納米片,實(shí)現(xiàn)了從紫外至近紅外光譜范圍內(nèi)都有很高光響應(yīng)性的寬光譜有機(jī)光電晶體管。

該成果以“A high mobility air stable n-type organic small molecule semiconductor with high UV-Visible-to-NIR photoresponse”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。東南大學(xué)的管英士教授為第一作者，喬晶副教授為共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的徐偉研究員和東南大學(xué)的李全院士為共同通訊作者。

研究人員通過(guò)將甲醇緩慢注入到溶有n型有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料TDPPQ的溶液表面，經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)的自組裝過(guò)程，便可以得到高結(jié)晶性的TDPPQ納米片（圖1）。

圖1.有機(jī)小分子半導(dǎo)體化學(xué)結(jié)構(gòu)式和有機(jī)納米片的自組裝過(guò)程示意圖。

X射線(xiàn)衍射（XRD）數(shù)據(jù)顯示自組裝的TDPPQ納米片具有高度有序的分子堆積結(jié)構(gòu)，同時(shí)吸收光譜數(shù)據(jù)表明其從250 nm到1100 nm很寬的光譜范圍內(nèi)都有很強(qiáng)的吸收，為制備從紫外至近紅外光譜范圍都有響應(yīng)的寬光譜有機(jī)光電晶體管提供了可能（圖2）。

圖2.有機(jī)納米片的XRD數(shù)據(jù)和吸收光譜圖。

以TDPPQ有機(jī)單晶納米片作為活性層制備的有機(jī)光電晶體管顯示出了優(yōu)異的光電性能。場(chǎng)效應(yīng)電子遷移率最高可達(dá)2.1 cm2V?1s?1，并具有很好的空氣穩(wěn)定性。更重要的是，光電晶體管在365 nm，550 nm，670 nm，765 nm和940 nm等波長(zhǎng)光照下，表現(xiàn)出了非常高的光響應(yīng)度，分別為4.0×10? AW?1, 3.1×10? AW?1, 4.8×10? AW?1, 9.2×10? AW?1 和5.2×10? AW?1（圖3）。該研究結(jié)果為高性能寬光譜有機(jī)光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制備提供了一個(gè)成功案例。

圖3.有機(jī)光電晶體管示意圖和不同波長(zhǎng)光照下的電流響應(yīng)。

總結(jié)與展望

綜上，該工作通過(guò)自下而上的界面自組裝技術(shù)，成功的制備了高結(jié)晶性的n型有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料TDPPQ納米片，該納米片在空氣中表現(xiàn)出了很高的場(chǎng)效應(yīng)電子遷移率。所制備的有機(jī)光電晶體管從紫外至近紅外光譜范圍內(nèi)都表現(xiàn)出了很高的光響應(yīng)性，為高性能寬光譜有機(jī)光電探測(cè)器的制備和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

| 論文信息 |

Guan, YS., Qiao, J., Liang, Y. et al. A high mobility air-stable n-type organic small molecule semiconductor with high UV–visible-to-NIR photoresponse. Light Sci Appl 11, 236 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00936-z

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