SmartMat | 基于超分子纳米结构的有机光电探测器
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综述
文章信息
Yifan Yao, Yusheng Cheng, Hanlin Wang, Paolo Samorì*. Organic photodetectors based on supramolecular nanostructures.
SmartMat 10.1002/smm2.1009.
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前言
近日，Paolo Samorì课题组发表了基于超分子纳米结构的有机光电探测器综述文章。重点介绍了基于有机半导体超分子纳米结构制备的高性能有机光电探测器的最新策略。介绍了基于单组分和p-n异质结的有机光电探测器的关键参数和工作机理。特别是，我们分类总结了基于平面和垂直结构的新型光电器件，旨在实现高度集成且灵活的多功能光电探测器。通过将有序的介观超分子纳米结构结合到宏观光电器件将为下一代光电多功能和多响应器件提供广阔的前景。
有机半导体具有可调节的能级和电荷传输特性，是实现高性能光电探测器的有力候选者之一。有机半导体不仅可以吸收紫外线到可见光范围内特定波长的光，通过优化分子结构和带隙，还能实现近红外区域的应用。在过去的二十年中，有机半导体（大分子）的自组装引起了极大的关注，因为它可以制备出具有特定功能的材料，这些材料可以用作光电子学中的活性成分。有机超分子纳米结构通过弱的分子间作用力结合在一起，结合了软质材料和晶体材料的优点，因为它们既柔软又具有很高的结晶性，同时可以通过低成本的溶液方法进行加工。此外，与传统的块状薄膜相比，由于分子自组装的程序化，低维有机半导体超分子纳米结构通常具有较少的晶界，较低的陷阱态密度。因此，超分子自组装可以通过使相邻的共轭分子之间实现最佳的π电子轨道重叠来确保高效的电荷转移。此外，由于较高的比表面积，超分子纳米结构特别易于增强激子离解。所有这些特性使超分子纳米结构成为光电转换的理想平台。
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图文导读
图1. 上图:平面和垂直光电探测器的结构示意图。下图:在(左)单组分‐或(右)双组分(p-n异质结)基础设备中，入射光转换为电流的过程示意图
图2. (A，上图)烷基取代的PDIs的化学结构。(下)多光纤OFET的响应率(R)和光敏度(P)的变化。(B，上)PTz的化学结构。(中间)SiO2/Si衬底上的PTz纳米线的光学显微镜图像，自组装过程从0.5 mg/ml溶液开始，持续5至6天;单根PTz纳米线的SAED图形;以及形成PTz纳米线的可能的分子填充的示意图。(底部)R versus通道长度。光响应性和光敏性的变化。
图3. (A，上)乙腈诱导C60在双尿素衍生物/m‐二甲苯凝胶的结晶过程。(中)c60纤维的照片和扫描电镜图像。(下)不同波长的入射光对c60器件的I-V测量和时间扫描。原始样品和200次弯曲后的样品间依赖时间的光响应测量的比较。(B，上图)PTCDI构建块的分子结构。(下)在不同白光照明功率密度的环境条件下MP - PTCDI纳米纤维的光电流响应。
图4. (A，顶部)微米尺寸TFT‐CN二维单晶薄膜的光学显微镜和原子力显微镜图像。(下)分析了杂晶叠置过程中的杂晶相互作用，以及CN⋯H(噻吩)相互作用垂直于杂晶叠置方向。(B，上)TFT‐CN二维单‐晶体光电晶体管在暗条件或不同激光强度下的传输曲线(1 P = 1°W/cm2)。不同vgs(黑色= 0 V，紫色= 10 V，橄榄色= 20 V，橙色= 30 V，红色= 40 V)晶体管在暗(固体)和激光照明(虚线)下的输出特性。(底部)光响应率，光电流开/关比和不同激光强度下的累积区(Aa,VGS = 40v，实线)和耗尽区(Da,VGS =−2v，虚线)的比探测率。
图5. (A，左)沿纳米纤维长轴的叠置有利于电荷输运的增强。3个电子受体(A‐1、A‐2、A‐3)和3个电子给体(D‐1、D‐2、D‐3)的(中间)分子结构。(右)在接通和关闭白光照射(0.17 mW/mm2)时测量的10 V偏压下的光电流。(B，左)基于PTDI‐C8和Dph‐BTBT晶体的晶体异质结光伏器件的三维示意图。(中)不同波长下异质结器件在黑暗和光照下的J-V曲线。(右)PC模式(−3.0 V偏置)和PV模式(0 V偏置)下的光响应光谱，内图显示了两种材料的同LUMO能级。
图6. (A)垂直光电晶体管的横截面示意图。(B)基于2,6‐二苯蒽(DPA)的垂直晶体管的横断面透射电子显微图像。(C)基于DPA的典型垂直晶体管的典型传输特性。(D)光晶体管在光照下的带线图。(E)光电晶体管在不同照度下与黑暗时的传输特性。(F)光响应率和探测率与门电压的函数关系。
图7. (A)由垂直通道纳米骨架实现的高密度纳米线设备的卡通图。高密度纳米线光电二极管的光学显微镜和AFM/SEM图像。大区域和小区域PTCDI - C8超分子纳米线设备的EQE校准。P3HT/PTCDI‐C8纳米线设备在500‐nm、3‐ns光脉冲下的瞬态光电流与时间的函数关系。(B)双晶体异质结光电探测器的器件结构。四种颜色暗态照明条件下的I-V曲线，统一光功率密度≈2.9 mW/cm2。PC模式(1.5 V偏置)和PV模式(0 V)下的光响应率。同一器件的时间依赖性光电流。(C)设备结构示意图。光伏探测器弯曲试验结果。3‐ns绿色激光脉冲照射设备后的瞬态光电流测量。
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