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SWIR OPDs研究:新型非富勒烯受体Y-QC4F设计合成
2024/08/28 15:48
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产品配置单：
光焱科技QE-R量子效率系统
型号： QE-R
产地： 台湾
品牌： 光焱科技
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导读目录
1. 关于有机光电探测器（OPDs）的发展挑战
2. 如何提升有机光电探测器（OPDs）限制性
3. Y-QC4F光电二极管型SWIR OPDs优异成效
关于有机光电探测器（OPDs）的发展挑战
在光电科技的世界中，有机光电探测器（OPDs）一直在挑战短波长红外（SWIR）范畴的极限。与目前市场主导的钼镓砷（InGaAs）无机光电探测器相比，OPDs在SWIR光谱的表现依然有所欠缺，这主要归因于缺乏能有效响应超过1.3微米波长的有机半导体材料。然而，传统的有机半导体在面对能隙定律的限制时，往往受限于非辐射跃迁的影响，导致其外部量子效率（EQE）无法达到理想值。
针对这一挑战，华南理工大学黄飞老师团队于 Advanced Materials八月号(DIO:10.1002/adma.20240695)发表了开发新型的非富勒烯受体（NFA）Y-QC4F的研究，成功突破了传统有机半导体的限制。研究团队通过引入二氟取代喹诺基末端基团（QC-2F），使Y-QC4F的带隙达到了极低的0.83电子伏特。这一微小的结构调整显着增强了分子间的堆积顺序和密度，使Y-QC4F薄膜的吸收光谱起始波长达到1.5微米，同时有效抑制了非辐射复合现象。
基于Y-QC4F的SWIR OPDs在0V偏置下，从0.4到1.5微米的波长范围内实现了优异的探测度，最高达到1.68 × 10^12 Jones，展现出与商业化InGaAs探测器相媲美的高质量SWIR成像性能。
如何提升有机光电探测器（OPDs）限制性
研究团队选择有机光电探测器（OPDs）作为主要研究材料的原因是因为它们具有的优势如下:
1. 广泛的响应光谱：OPDs能够覆盖从可见光到近红外（NIR）光的广泛光谱范围。
2. 低暗电流密度：与无机光电探测器相比，OPDs在黑暗条件下的暗电流密度较低。
3. 溶液可加工性：OPDs可以使用溶液加工技术进行制造，这允许高通量生产，从而降低成本并提高生产效率。
然而，尽管存在上述的材料优势，OPDs在短波长红外（SWIR）区域的性能与传统无机半导体材料（如InGaAs）相比仍然较差。团队的研究目标是开发具有高性能的OPDs，特别是在SWIR区域，以缩小与传统无机光电探测器之间的性能差距，做出了以下的实验及量测手法:
1. 材料合成：化合物1和4的合成路线，以及其他中间产物的合成步骤和条件。
2. 核磁共振（NMR）光谱分析：使用1H、13C和19F NMR光谱对所有中间体和产品进行全面的结构表征。
3. 质谱分析：材料合成：描述了化合物1和4的合成路线，以及其他中间产物的合成步骤和条件。
使用设备: 使用基质辅助激光解析离子化飞行时间质谱（MALDI-TOF）和液相色谱质谱（LC-MS）。
4. 热性质分析：通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）研究材料的热稳定性。
5. 瞬态光电压（TPV）和电荷提取（CE）技术：用于调查基于Y-QC4F和Y-QC的器件中的电荷双分子复合。
6. 电荷载流子寿命和密度计算：从TPV衰变动态和CE曲线在不同光照强度下计算载流子寿命（τ）和载流子密度（n）。
7. 光电流密度（J）与电压（V）特性的测量：在黑暗条件下测量单电子和单孔的迁移率。
8. 空间电荷极限电流（SCLC）方法：测量基于Y-QC4F和Y-QC的器件的单电子（μe）和单孔（μh）迁移率。
9. 傅立叶变换光电流谱外部量子效率（FTPS-EQE）：用于测定材料的光电转换效率。
作为评估非富勒烯受体（NFAs）陷阱态密度的一种方法。具体来说，Urbach能量（Eu）是通过FTPS-EQE光谱测量的，这可以用来评估陷阱态密度。在文件的第一部分，提到了使用FTPS-EQE光谱来表征基于Y-QC4F和Y-QC的单组分器件，并通过公式In（EQE）= hv/ Eu + c计算得出Eu值，其中hv是光子能量，c是常数。测得Y-QC4F的Eu为0.29 eV，而Y-QC的Eu为0.43 eV，这表明Y-QC4F薄膜的能量无序和陷阱态密度降低。
光焱科技FTPS-EQE软件量测示意图
研究团队采用了光焱科技 QE-R外量子效率量测方案，不仅能为有机光电探测器OPDs提供了精准且高重现性的表征参数，还能通过软件的配合，实现高效的ΔΕ1量测模式。此外， FTPS(型号:PECT-600)设备专门针对Urbach能量（Eu）进行必要的参数分析，有效表明Y-QC4F薄膜的能量无序和陷阱态密度降低
。光焱科技的完整分析系统可将上述设备的数据直接执行导入与导出，有效简化了原本繁琐且需要大量计算验证的研究流程，从而成功获取器件各阶段所需的关键参数，并降低了程序负荷和人为计算错误的风险。
10. 检测度（D*）测量：评估器件的实际检测度，并与商业Ge和InGaAs探测器进行比较。
11. 线性动态范围（LDR）计算：评估光探测器在不同入射光强度下的线性响应能力。
12. 噪声电流测量：在黑暗条件和0V偏压下测量基于Y-QC4F和Y-QC的器件的总噪声电流。
Y-QC4F光电二极管型SWIR OPDs优异成效
团队设计并合成了一种具有电子负性的二氟取代喹啉端基（QC-2F）单元，用以构建一种新的非富勒烯受体（NFA），即Y-QC4F，其具有超低的光学带隙为0.83电子伏特。这种通过二氟取代的微小结构修改，不仅促进了分子内的电荷转移（CT）效应，而且还显着增强了分子间的堆积秩序和密度，导致Y-QC从溶液到薄膜状态下的吸收红移达到了283纳米。与未经过氟化的Y-QC相比，Y-QC4F薄膜实现了吸收系数的翻倍，吸收起始波长可达1.5微米，相对介电常数增加，能量无序减少。因此，基于Y-QC4F的光电二极管型SWIR OPDs展现出更高且更平衡的载流子迁移率、更长的载流子寿命和更低的非辐射复合，这使得在0伏特偏压下，EQE响应比基于Y-QC的器件更高。Y-QC4F基OPDs在0.4到1.3微米宽广范围内实现了超过10%的EQE，推测Y-QC4F基OPDs中较浅的陷阱态密度增加减少了光激活电荷载流子在照射下的陷阱辅助捕获，从而即使在SWIR区域也实现了更高的EQE。
Y-QC4F基器件的较小有效带隙被认为是其较高暗电流的主要原因。值得注意的是，在0到1.5微米的范围内，D*超过了10^11 Jones，在1.16微米处达到最大值1.68 × 10^12 Jones。此外，即使在1.4微米波长LED照射下，也成功获得了高品质的SWIR成像。这项研究为超窄带隙NFAs的分子设计提供了有效的指导方向，以实现与商业InGaAs光电探测器竞争性能的SWIR OPDs。
考虑到基于Y-QC4F的SWIR OPDs在SWIR区域具有高R和D*，研究人员进行了在1.3和1.4微米光源照射下的单像素SWIR光学成像实验，以探索所获得的OPDs的应用前景。单像素SWIR光学成像的实验设置如图7a所示，分辨率为40×20，步长为1毫米。
图7. a) SWIR单点成像应用的操作原理图像。使用带有“SCUT"图案的不锈钢板作为掩模。在0 V偏压下收集的光电流由半导体参数分析仪器收集。在“SCUT"图案下的成像结果。
在SWIR LED前面，放置了一个带有“SCUT"图案的不锈钢面罩，放在一个可以沿水平（X轴）和垂直（Y轴）方向移动的电控二维移动平台上，以聚焦于SWIR OPDs。在0V偏压下，通过半导体参数分析仪记录光电流。在SWIR光照射下，SWIR OPD只接收穿过不锈钢面罩的SWIR光，产生光电流进行记录。如图7b、c所示，基于Y-QC4F的SWIR OPD在1.3微米波长LED照明下捕获到光电流的高分辨率图像，清晰地再现了字母图案的边界。令人印象深刻的是，当使用较长波长的1.4微米LED照明时，尽管在相同入射光强度下其光响应有所降低，但SWIR OPD仍然提供相对高分辨率的图像。这些结果表明，基于Y-QC4F的OPDs在SWIR光学成像应用中具有巨大潜力。
推荐设备
FTPS
QE-R
文献参考自Advanced Materials_DOI：10.1002/adma.20240695
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