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  聚合物光電探測(cè)器(PPDs)具有柔性、低功耗、良好的生物兼容性等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴設(shè)備、光學(xué)成像、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。倍增型聚合物光電探測(cè)器(PM-PPDs)的外量子效率(EQE)可遠(yuǎn)大于100%，在實(shí)際應(yīng)用中能夠摒棄復(fù)雜的附加放大電路，有利于提高系統(tǒng)集成度并節(jié)約設(shè)計(jì)成本。近年來(lái)，北京交通大學(xué)張福俊教授課題組一直致力于基于界面陷阱誘導(dǎo)電荷隧穿注入的工作機(jī)理研發(fā)PM-PPDs。所制備的PM-PPDs具有暗電流密度低、探測(cè)靈敏度高、響應(yīng)光譜可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。為了制備高性能PM-PPDs，圍繞其工作機(jī)理探索進(jìn)一步優(yōu)化PM-PPDs性能的方法成為研究重點(diǎn)。

  影響PM-PPDs性能參數(shù)的主要因素歸結(jié)于有源層中的電荷遷移率以及界面附近的受陷電荷分布。近日，北京交通大學(xué)張福俊教授課題組以PBDB-T:BTPV-4F (98:2, wt/wt)為有源層制備出PM-PPDs，在反向偏壓下，受陷于BTPV-4F中的光生電子誘導(dǎo)空穴由Al電極隧穿注入到有源層，沿著PBDB-T形成的連續(xù)通道高效傳輸，最終被ITO電極收集，從而實(shí)現(xiàn)光電倍增現(xiàn)象。在-10 V偏壓下，PM-PPDs的EQE明顯大于100%，其EQE光譜形狀主要取決于Al電極附近的受陷電子分布情況。

圖1. (a) PM-PPDs的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) PM-PPDs的電流密度-電壓曲線及其工作機(jī)理示意圖；(c) PM-PPDs的EQE光譜和有源層的吸收光譜；(d) Al電極附近有源層截面的受陷電子密度。

  向有源層中引入高結(jié)晶性的液晶小分子BTR作為調(diào)節(jié)劑，以調(diào)控有源層中PBDB-T的分子排布方式，進(jìn)而提高有源層中的空穴遷移率。有源層中的空穴遷移率隨有源層中BTR含量的增加而提升。當(dāng)有源層中BTR含量為9 wt%時(shí)，界面附近的受陷電子密度以及有源層中的空穴遷移率達(dá)到平衡，獲得性能最優(yōu)的PM-PPDs。PM-PPDs的EQE以及響應(yīng)度可隨著外加偏壓的增大而得到大幅度提高，當(dāng)偏壓為-20 V時(shí)，PM-PPDs的EQE以及響應(yīng)度在660 nm處分別為19300%和102 A W^-1。

圖2. (a) 相應(yīng)薄膜面內(nèi)以及面外方向的GIWAXS剖面圖；(b) 相應(yīng)有源層中的空穴遷移率；相應(yīng)PM-PPDs的EQE光譜和有源層中的陷阱態(tài)密度(c, d)；不同偏壓下最優(yōu)PM-PPDs的EQE光譜和響應(yīng)度光譜(e, f)。

  以上成果以Employing liquid crystal material as regulator to enhance performance of photomultiplication type polymer photodetectors為題發(fā)表在Chem. Eng. J.上。感謝中科院化學(xué)所李永舫院士課題組為本實(shí)驗(yàn)提供的BTPV-4F材料。本論文第一作者為北京交通大學(xué)博士研究生楊凱旋，通訊作者為張福俊教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131802