中科院福建物质结构研究所谷志刚、田一博AS：基于取向铟氧链基卟啉MOF薄膜的高性能光探测器
“咔嗒”，当你轻轻按下数码相机的快门，绚丽的风景化作束束光线，通过镜头的小孔，倒影进一个由上亿个小单元组成的芯片上，每个小单元把受到的光信号转变成不同强度的电信号，最后以二进制的形式储存，我们就得到了一张包含明暗变化的美丽照片。而这从“现实”的光向“虚拟”的电的转化，重要的纽带就是那一枚小小的芯片—光探测器。时至今日，大到太空中的哈勃望远镜，小到隔空测温的红外测温仪，我们的生活中处处充满了光探测器的身影。
作为光探测器的光感生层，无机材料有其特殊的优势，有机材料有其出色的特点，而二者的结合的金属-有机框架材料，作为一种无机-有机杂化材料，由于其丰富的组成方式，高度有序的晶体结构，复杂巧妙的电子排布，是一种极具潜力与开发价值的光感生材料。然而MOF材料多以粉体/微晶的形式存在，难以满足探测器大面积、薄膜化的应用需求。因此制备高质量MOF薄膜应用于光探测器成为当前研究的难点。
中科院福建物质结构研究所谷志刚研究员采用自主研发的液相外延层层组装浸渍法制备MOFs薄膜的技术（所制备的MOFs薄膜简称为SURMOFs），制备出一种新型铟氧链基卟啉SURMOF材料。该制膜技术使得金属铟与4-羧基4-苯基卟啉（TCPP）通过层层自组装获得了具有单一取向的SURMOF In-TCPP薄膜—。这一取向生长的薄膜具有平行于基底的一维铟氧链以及紧密排列并垂直于基底的卟啉分子环，有利于电荷沿着基底平行的面内进行传递。测试表明（如图2），其中15个液相外延循环下的制备的In-TCPP薄膜具有高达7.28×1014 Jones的探测度，响应信号强度与入射光强度呈正相关，在长时间反复加光测试下信号没有明显的波动，且响应速度大大高于同类型MOF光探测器件以及有机光探测器件。理论计算分析了电荷的跳跃传输机制，氧空位的存在有效的促进了电荷-空穴的分离。
图1：液相外延层层组装表面配位MOF薄膜（SURMOF）In-TCPP，并制备光探测器件。
图2：SURMOF基光探测器件的性能研究。
研究者认为，此项研究成功解决MOF材料在光电领域应用的难题，通过液相外延层层组装的SURMOF材料具有致密的结构、高度的取向性以及高效便捷的工艺等特点，结合In-TCPP MOF材料优异的光电转化性能，充分体现了无机-有机杂化材料的优势，为今后的材料设计提供了一种切实可行的思路。
中科院物构所结构化学国家重点实验室谷志刚研究员为通讯作者，硕士研究生田一博为论文第一作者。
论文信息：
Oriented Growth of In-Oxo Chain Based Metal-Porphyrin Framework Thin Film for High-Sensitive Photodetector
Yi-Bo Tian, Nina Vankova, Peter Weidler, Agnieszka Kuc, Thomas Heine, Christof Wöll, Zhi-Gang Gu*, Jian Zhang
Advanced Science
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期刊简介
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