天津大学李立强团队：设计合成了一种新型有机小分子半导体，实现光与热的同步检测

基于有机半导体的光探测器件与热响应器件具有广阔应用前景，并已取得了长足进展，然而光与热的协同探测还鲜有报道。从理论上讲，具有低激子结合能，低热激活能的半导体材料可以产生热增强的光响应效应，有望实现光与热的同步检测，但该类化合物仍未见报道。针对这一目标，天津大学李立强教授组在其近期晶界势垒工程调控有机半导体热激活电输运工作的基础上(Nature Commun. 2021, 12, 21.)，设计合成一种新型有机小分子半导体DPP-T-TPA, 并构筑了晶体管器件。研究结果表明：随着温度的升高，器件的光响应性能明显提升，光探测能力与温度呈现出良好的线性关系，为光热协同探测奠定基础。

图1. （a）光热协同刺激下的有机场效应晶体管示意图；（b）有机半导体DPP-T-TPA的分子结构式；（c）光电响应过程的简要示意图；（d）温度和光可区分检测的临界条件 

作者首先分析了光电响应过程，包括：激子形成、激子扩散、激子分离以及电荷输运。理论上，激子形成和激子扩散对温度的依赖性较弱，而激子分离和电荷输运分别与激子结合能和电输运热激活能密切相关，因此在特定条件下对温度具有很强的依赖性。理论分析表明，兼具低结合能，低热激活能的半导体材料可产生热增强的光响应效应，进而实现光热协同探测。

图2. （a-d）基于DPP-T-TPA薄膜有机场效应晶体在不同温度、不同光强下的转移曲线；（e-g）器件的光灵敏度、响应度以及探测率与温度、光强之间的关系；（h）DPP-T-TPA自由激子发射强度的温度依赖数据

作者研究发现，DPP-T-TPA表现出较低的激子结合能(37±1.6 meV)和较小的热激活能(61±1.6 meV)，器件的光响应性能对环境温度非常敏感，具有明显的热增强特性。在0.5 mW/cm²的光照强度下，器件的光响应特性(光灵敏度，响应度和探测率)从室温的(7.2, 2.5×10⁻⁵ A W⁻¹, 2.7×10⁷ Jones)提升到90℃的(9.2×10⁵, 4.0 A W⁻¹, 4.4×10¹² Jones)，并呈现了良好的线性关系。此项工作表明，兼具低激子结合能和低热激活能的有机光电功能材料在光热协同检测方面具有巨大潜力，这将极大拓展光电器件的功能和应用领域。

详见： Yongxu Hu, Li Yu, Yinan Huang, Zhongwu Wang, Shuguang Wang, Xiaosong Chen, Deyang Ji, Huanli Dong, Jie Li*, Yajing Sun*, Liqiang Li*, Wenping Hu. Thermally-enhanced photo-electric response of an organic semiconductor with low exciton binding energy for simultaneous and distinguishable detection of light and temperature. SCIENCE CHINA Chemistry, 2021, 64, https://doi.org/10.1007/s11426-021-1118-9.

扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】

通讯作者简介

李立强 天津大学教授，2002年和2005年在南开大学获得学士和硕士学位，2008年在中科院化学研究所获博士学位，2008年至2014年在德国明斯特大学物理所从事博士后研究工作。 2014年入选国家青年人才项目，同年加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，任研究员，2019年调入天津大学。主持/参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委面上项目/重点项目/创新群体项目、中科院前沿科学重点研究计划项目、天津市杰出青年基金项目、天津市重点项目等。一直从事有机场效应晶体管材料与器件研究，重点聚焦器件的失稳机制与增稳方案、有机半导体的可控掺杂与电荷输运机制。以通讯/第一作者在Adv. Mater.、Sci. Adv.、Nature Commun.、J. Am.Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等期刊上发表文章50余篇。