美國加州大學圣地亞哥分校Acc. Chem. Res.:基于聚合物的紅外光探測器的設計與表征

【引言】

紅外光探測器在很多領域都有重要的應用，包括監控系統、通訊、過程監控和生物成像。短波段的紅外光在健康追蹤和醫療診斷中具有很實際的應用，因為生物組織對這種波段的光具有較弱的吸收和自熒光，以及紅外光相對于可見光具有更強的組織穿透能力和更高的分辨率。目前為止，大多數紅外光探測器都是基于無機半導體。這些探測器具有價格昂貴、制程復雜以及較難在可穿戴設備上得到應用的缺點。可溶液加工的半導體被應用于紅外探測器中，可實現直接沉積、單片集成和利用現有技術無法實現的分辨率。除此之外，有機半導體還有諸多優點，包括溫度穩定性、生物穩定性和大面積形貌覆蓋。

【成果簡介】

美國加州大學圣地亞哥分校的科學家在Acc. Chem. Res.上，發表了題為"Emerging Design and Characterization Guidelines for Polymer-Based Infrared Photodetectors"的綜述。這篇綜述介紹了有機光探測器領域近年來的發展與進步。依靠有機太陽能電池的研究在過去十年中的迅速發展，高效率的可見光-近紅外有機光探測器也得到了發展。然而，可吸收紅外光的光探測器并不多，目前只有幾種有機材料可以實現1 μm的光電流。文章總結了幾種新型的小分子和聚合物，并討論了發展窄帶隙光探測器所遇到的瓶頸。

【圖文導讀】

Figure 1.近紅外生物成像

(a).不同生物組織的吸收光譜

(b).不同波長的小鼠腦部熒光成像

(c).探測能力隨溫度的變化

Figure 2.幾種近紅外有機半導體的化學結構和性能表征

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(a-e).幾種近紅外有機半導體的化學結構

(f).本體異質結光二極管的器件結構和表征

(g).光轉換器的器件結構和表征

Figure 3.有機半導體的能帶結構和表征

(a).異質結薄膜的能級圖

(b).當E_g降低，E_CT的變化

(c).在不同波長照射下，內量子效率隨電場的變化

(d).分流電阻隨E_CT的變化

(e).噪音電流隨頻率的變化

(f).探測能力隨波長的變化

圖4.器件表征

(a).由于電極界面能級不匹配而導致的電荷引出勢壘

(b).光電流隨時間的變化

(c).外量子效率隨波長的變化

(d).光傳導增益機理示意圖

(e).光轉換器電流隨時間的變化

(f).外量子效率隨波長的變化

圖5.紅外光探測器的實際應用

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(a).近紅外光二極管在指尖的示意圖

(b).光學體積描記示意圖

(c).光學體積描記信號檢測

(d).肌肉收縮探測示意圖

(e).不同濃度下的透射光譜

(f).檢測生物組織中的脂肪含量

【小結】

紅外光探測器憑借較強的組織穿透能力、較高的分辨率和對生物組織破壞較小的特點在生物電子設備中得到了廣泛地應用。有機材料因為大面積形貌覆蓋、溫度穩定和低成本的特點，為紅外光探測器帶來了新的優勢。新型的窄帶隙有機電子材料的研究可以減少帶尾混亂，以及增加電荷轉移。而器件方面的研究主要集中于增強電荷傳輸和光譜響應。

Emerging Design and Characterization Guidelines for Polymer-Based Infrared Photodetectors

(Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00446)

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