Light | 高性能宽光谱有机光电晶体管

有机光电探测器是一种能够把光信号转换为电信号的光电器件，在环境监测、成像传感器、生物医学、工业过程控制等很多领域都有着重要的应用。

以有机光电晶体管为基础的光电探测器，可以同时通过栅电压和入射光对沟道电流进行调控，与传统的光电二极管相比具有高增益，高电流和低噪声等优势。尽管有机光电晶体管已经有大量的报道，但是它们往往只对某一波段的入射光有响应，而能够从紫外至近红外光谱范围内都有响应的宽光谱有机光电晶体管鲜有报道。要制备这种有机光电晶体管，其中具有高迁移率和宽光谱吸收的有机半导体是不可或缺的关键材料。

近日，东南大学智能材料研究院和化学化工学院李全院士团队和中国科学院化学研究所朱道本院士团队合作，在宽光谱有机光电晶体管方面取得了重要进展。

他们通过溶剂相界面自组装的方法，成功的制备了一种高度有序的n型有机单晶纳米片,实现了从紫外至近红外光谱范围内都有很高光响应性的宽光谱有机光电晶体管。

该成果以“A high mobility air stable n-type organic small molecule semiconductor with high UV-Visible-to-NIR photoresponse”为题发表在Light: Science & Applications。东南大学的管英士教授为第一作者，乔晶副教授为共同第一作者，中国科学院化学研究所的徐伟研究员和东南大学的李全院士为共同通讯作者。

研究人员通过将甲醇缓慢注入到溶有n型有机小分子半导体材料TDPPQ的溶液表面，经过数小时的自组装过程，便可以得到高结晶性的TDPPQ纳米片（图1）。

图1.有机小分子半导体化学结构式和有机纳米片的自组装过程示意图。

X射线衍射（XRD）数据显示自组装的TDPPQ纳米片具有高度有序的分子堆积结构，同时吸收光谱数据表明其从250 nm到1100 nm很宽的光谱范围内都有很强的吸收，为制备从紫外至近红外光谱范围都有响应的宽光谱有机光电晶体管提供了可能（图2）。

图2.有机纳米片的XRD数据和吸收光谱图。

以TDPPQ有机单晶纳米片作为活性层制备的有机光电晶体管显示出了优异的光电性能。场效应电子迁移率最高可达2.1 cm²V⁻¹s⁻¹，并具有很好的空气稳定性。更重要的是，光电晶体管在365 nm，550 nm，670 nm，765 nm和940 nm等波长光照下，表现出了非常高的光响应度，分别为4.0×10⁵ AW⁻¹, 3.1×10⁵ AW⁻¹, 4.8×10⁵ AW⁻¹, 9.2×10⁵ AW⁻¹ 和5.2×10⁵ AW⁻¹（图3）。该研究结果为高性能宽光谱有机光电探测器的设计和制备提供了一个成功案例。

图3.有机光电晶体管示意图和不同波长光照下的电流响应。

总结与展望

综上，该工作通过自下而上的界面自组装技术，成功的制备了高结晶性的n型有机小分子半导体材料TDPPQ纳米片，该纳米片在空气中表现出了很高的场效应电子迁移率。所制备的有机光电晶体管从紫外至近红外光谱范围内都表现出了很高的光响应性，为高性能宽光谱有机光电探测器的制备和应用奠定了基础。

| 论文信息 |

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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