北京交通大学张福俊教授：具有单载流子传输特性的倍增型全聚合物光电探测器

光电探测器，作为将光信号转变为电信号的转换器，在图像传感、光通信、安全/环境监测以及化学/生物检测等领域拥有广泛的应用。聚合物半导体材料具有吸收系数高、能级可调、成本低以及可柔性制备等优势，使其在电致发光、光伏器件、光电探测等方面倍受关注。由于基于光伏效应的二极管型聚合物光电探测器的外量子效率(EQE)较低(通常EQE<100%)，导致这类器件在弱光或超弱光探测领域的应用受到限制。

在实际应用中，为了提高该类器件的探测灵敏度，需要复杂的电流运算放大系统与之配合，这无疑会增加探测系统的成本、带来新的噪声；同时也会增大集成光电子器件的制备难度，不利于实现小型化、轻量化的技术价值。因此，倍增型(EQE>100%)聚合物光电探测器成为研究领域的焦点。

2015年，北京交通大学张福俊教授课题组首次报道了基于P3HT:PCBM(质量比100:1)有源层的具有单载流子传输特性的低暗电流、倍增型聚合物光电探测器。随后，该课题组在器件性能改善、响应光谱范围调节和功能扩展等方面做出了系列研究。

然而，目前报道的具有单载流子传输特性的倍增型聚合物光电探测器主要基于聚合物给体P3HT。开发新型可实现光电倍增现象的聚合物材料具有重要价值，这将进一步证明具有单载流子传输特性的倍增型聚合物光电探测器的普适性。

最近，张福俊教授课题组制备出了基于ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T:PZ1(质量比100:x)/Al结构的具有单载流子传输特性的倍增型全聚合物光电探测器，器件结构和给受体聚合物材料的化学分子式如图1a所示。基于PBDB-T:PZ1(质量比100:3)有源层的器件在310-790 nm光谱响应范围内的EQE超过100%；在675 nm光照下，EQE值达到1470%。

图1 (a)有源层组分的化学结构式和器件的结构示意图；(b)器件的响应光谱和Al电极附近不同截面上的光生电子分布。

光电倍增现象源于界面附近受陷电荷诱导的界面能带弯曲增强空穴的隧穿注入；单位时间内流过器件的电荷数大于入射光子数时，即可获得倍增现象。通过传输矩阵法模拟并计算了有源层中的光生电子分布。器件的响应光谱和Al电极附近的光生电子分布如图1b所示，验证了实现光电倍增的工作机理。

作者还指出，从材料角度，如何研发出可用于倍增型有机光电探测器的有机半导体材料具有较大的挑战。首先要求给/受体材料的LUMO能级差大于1 eV，这样可以形成有效的电荷陷阱。目前很多材料都是针对有机光伏器件研发的，通常给/受体材料的LUMO能级差小于0.6 eV (理论值),来降低光伏器件的能量损失。针对倍增型有机光电探测器，需要从能级结构上重新设计。其次，给（受）体材料的HOMO (LUMO)能级与电极功函数间的势垒在0.8 eV左右，暗态下电荷很难从外电路隧穿注入，从而有效抑制器件的暗电流；光照条件下，陷阱诱导的界面能带弯曲可显著降低电荷的注入势垒，从而获得较大的光电流。除了材料能级位置的调控，载流子迁移率也是一个关键参数，载流子迁移率越大，将有助于提高倍增型有机光电探测器的探测灵敏度及响应速度。

相关成果近期在线发表于Science China Chemistry。论文第一作者为北京交通大学博士研究生苗建利，通讯作者为张福俊教授。详细内容见：Jianli Miao, Mingde Du, Ying Fang, Xiaoli Zhang, Fujun Zhang. "Photomultiplication type all-polymer photodetectors with single carrier transport property" Sci. China Chem., 2019, 62, doi:10.1007/s11426-019-9582-7.

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