吉林大学沈亮教授Small：用于可见光和近红外光数字光通讯的快响应有机级联光电探测器

光电探测器作为一种将光信号直接转换为电信号的装置，在军事和国民经济的各个领域均具有广泛应用。随着近年来的不断发展，光电探测器正向高度集成、性能优异、长期稳定以及柔性轻质等方面发展。与传统的无机光电探测器相比，以有机光电探测器为代表的新型光电探测器在重量轻、可弯曲、可拉伸方面具有优异性能，可在一定程度上与传统器件形成优势互补。在新型有机光电探测器的应用上，根据器件响应波段的不同，有机光电探测器能够应用于多种实际场合。例如：在紫外光波段可用于国土预防；可见光波段可用于光通讯；近红外波段则主要应用于医疗检测和柔性设备；而在红外波段主要应用于导弹制导、红外成像等。在这样广泛的应用前景下，深入探索新型光电探测器具有重要意义。然而，即使目前有机光电探测器的部分性能指标已接近无机光电探测器，但响应速度较慢这一问题却一直限制其在市场上的实际应用。

近日，吉林大学集成光电子学国家重点实验室沈亮教授团队采用新型级联结构制备器件，通过调节载流子迁移距离来解决器件内部载流子渡越时间和电阻-电容(RC)时间之间的矛盾，研制出具有宽光谱、低噪声、快速响应特点的有机级联光电探测器。随后，他们以此类型光电探测器为核心元件搭建数字光通讯系统，实现可见光和近红外光包含信息的精确传输。这一结果对于推动有机级联光电探测器从实验室走向市场化应用具有重要意义。论文第一作者是吉林大学硕士生刘君实、姜继忠和澳门大学应用物理与材料工程研究所王双鹏教授，通讯作者为吉林大学沈亮教授。

在这项工作中，研究团队采用内部复合区域将具有互补吸收光谱的两个单节光电探测器串联，制备级联结构的光电探测器，响应范围覆盖从紫外光到近红外光。通过减小级联探测器的子单元厚度缩短载流子渡越时间，同时通过级联结构减小器件电容，进而缩小RC时间，解决了器件内部载流子渡越时间和RC时间之间的矛盾，从而提升响应速度。经测试，器件响应时间从单节结构的410 ns缩短至级联结构的146.8 ns。据我们所知，这是目前已报道的有机探测器响应速度的最佳指标。另外，得益于级联结构的多级势垒增强结构和分压作用，器件的暗电流和噪声电流降低2个数量级，展现出器件的高灵敏性能。为进一步验证器件的实际应用潜力，研究团队以此新型有机级联探测器为核心元件搭建光通讯系统，成功实现了可见光和近红外光蕴含信息的可视化精确传输。这一结果对于推动有机级联探测器从实验室走向市场化应用，具有重要的意义。据悉，本论文的核心概念已提交了中国发明专利申请。

论文信息：

Fast Response Organic Tandem Photodetector for Visible and Near-Infrared Digital Optical Communications

Junshi Liu, Jizhong Jiang, Shuangpeng Wang, Tengfei Li, Xin Jing, Yanling Liu, Yaxi Wang, Han Wen, Mengnan Yao, Xiaowei Zhan, Liang Shen*Small10.1002/smll.202101316

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