迟力峰院士团队实现了具有持续光电导和光开关特性的高性能有机光晶体管

光晶体管是基于场效应晶体管构型的光探测性器件，兼有晶体管的栅压调制特点，具有低噪声电流、高响应度以及高增益等优势，在光通信、红外探测、天文观测和医学检测等领域显示出广泛的应用潜力。有机半导体材料由于化学结构可调、可溶液加工、易于大面积制备和兼容柔性衬底等优势，成为构筑轻质、柔性的光晶体管的有力候选材料之一，高性能有机光晶体管的研发和相应的机制研究吸引了众多关注。一般来说，有机光晶体管的工作机制是利用光诱导载流子产生电导率可调的行为。为了实现高效的光电转换，光生空穴或者电子需要在复合前到达源极或漏极，进而产生高的光电导。基于这样的原理，为了获得优异的光响应和光增益，一种常见且有效的策略是抑制载流子的复合或调控载流子的俘获行为。但是，陷阱态的精准操纵具有显著挑战性，其密度和类型通常难以控制，这些都导致光电性能改善的不确定性。同时，光照下有机半导体陷阱俘获过程和光响应的关系尚缺乏清晰认识。

苏州大学迟力峰院士、黄丽珍教授与姑苏实验室王滋博士等利用界面处不同化学官能团的载流子俘获效应差异实现了不同类型的光响应行为及其性能优化，探究了界面处多子和少子俘获效应对于有机光晶体管光响应性能的影响。通过选择高迁移率的p型半导体C₈-BTBT作为有源层和光敏层，引入带有不同端基（甲基，氨基，氟代苯基）的硅烷修饰剂对器件的绝缘层-有机层界面进行修饰。

图1. 携带不同端基的自组装修饰层界面修饰后不同光响应行为的实现。（a）持续光电导行为；（b）含氟修饰层薄膜在光照下载流子行为示意图；（c）含氨基修饰层薄膜在光照下载流子行为示意图；（d）光开关行为。

研究发现，含-F基团修饰层对光生电子（少数载流子）的高效俘获实现了高性能的光响应特性，光响应度接近10⁵ AW^-1，探测率达到10¹⁵ Jones，瞬态特性表现为持续光电导行为。含-NH₂基团修饰层的给电子能力导致了对光生空穴（多数载流子）的俘获效应，因而抑制了器件的光电流，光响应度下降，但其瞬态特性表现出良好回复性质的光开关行为。此外，通过改善电极修饰提升电流注入，在氨基修饰薄膜的体系中实现了响应度大于10⁴ AW^-1同时具有良好光开关特性的高性能薄膜光晶体管。系列对比实验和界面电子结构表征证明了界面多子和少子俘获效应分别是导致开关光电导和持续光电导的主要原因。当前工作中展示的界面调控与有机光晶体管性能的关系，有助于从基础角度理解有机光电晶体管工作原理，为调控器件光响应功能性和提升器件性能提供了可行的实验方法。

该成果以“Interface terminal group regulated organic phototransistors with tunable persistent and switchable photoconductivity”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-022-1368-7）。点击左下角“阅读原文”，可免费阅读和下载全文。

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作者简介：

黄丽珍，苏州大学功能纳米与软物质研究院教授、博士生导师。2006年于华中科技大学获学士学位，2011年于中科院长春应用化学研究所获博士学位，2011年-2013年于德国维尔兹堡大学从事博士后研究，2013年加入苏州大学。研究方向为：有机半导体薄膜表界面科学及其传感应用。

迟力峰，苏州大学功能纳米与软物质研究院教授、博士生导师。1982年和1985年于吉林大学分别获得学士和硕士学位，1989年于德国哥廷根大学获得博士学位，2004年起任德国明斯特大学教授；2012年全职加盟苏州大学功能纳米与软物质研究院；2020年当选为欧洲科学院外籍院士；2021年当选为中国科学院院士。长期从事表界面分子科学研究，包含表面在位化学、表面自组装和功能分子薄膜与器件。

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