南密西西比大學Sci. Adv.：基于窄帶隙共軛聚合物的寬帶紅外光電探測器

【研究背景】

紅外光（IR）檢測為現代工業、科學、能源、醫療和國防應用奠定了基礎。跨越不同波長（λ）范圍的無機半導體和復雜的制造系統是超過硅的截止點（λ_c ~ 1.1 μm）的技術基礎。最先進的紅外光電探測器通常是基于III-V族半導體的二極管。例如，銦鎵砷化物（InGaAs）覆蓋了λ = 2.4 μm短波紅外（SWIR；λ = 1-3 μm）；銻化銦（InSb），中波紅外光譜（MWIR；λ = 3-5 μm）；碲化汞鎘（HgCdTe），長波紅外光譜（LWIR；λ = 8-14 μm）。這些探測器采用高溫外延生長，模塊化程度和內在脆弱性有限，通常需要低溫冷卻，與互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術不兼容。其他成熟技術也有類似的限制，如III-V族半導體的摻雜異質結構、量子阱和II型超晶格。當前，使用最先進窄帶隙半導體的光電探測設備需要復雜的制造過程、高的制造成本和嚴格的冷卻要求，這對于其廣泛應用來說仍面臨著巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，美國南密西西比大學Jason D. Azoulay教授團隊報道了一種基于能跨越SWIR-LWIR寬帶范圍的供體-受體（D-A）共軛聚合物的高性能紅外光電檢測技術。該聚合物π共軛骨架內的電子相關性促進了高自旋基態、窄帶隙、長波長吸收和本征導電性。這些以前未觀察到的特性使得從溶液中制造薄膜光電導探測器成為可能，該探測器顯示出大于2.1×10⁹ Jones的特定探測率。這種能在室溫下的檢測技術非常接近當前所用的冷卻外延器件的檢測技術。這項工作為廣泛適用的低成本環境溫度紅外光電檢測提供了一個全新的平臺。該論文近日以題為“Broadband infrared photodetection using a narrow bandgap conjugated polymer”發表在知名期刊Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

圖一、高自旋共軛聚合物的紅外吸收

（a）窄帶隙聚合物的分子和電子結構。

（b）氯苯旋涂到NaCl襯底上薄膜的透射光譜（藍色），1000℃黑體輻射器計算的出射率（橙色），以及Al₂O₃封裝劑的光譜透射率（灰色）。

圖二、器件結構與紅外光電流響應

（a）光電導探測器的等效電路。

（b）60 μm×1 mm檢測器活動區域的示意圖。

（c）安裝在陶瓷LCC中的單元素光導器件。

（d）用1000℃黑體照射產生的光電流，采用SWIR帶通濾光片λ = 1 ~ 3 μm, MWIR濾光片λ = 3 ~ 5 μm, LWIR部分濾光片λ = 8 ~ 12 μm。

圖三、光導探測器在室溫下的性能特性

（a）響應率作與四個紅外光譜區域應用偏差的關系。

（b）JOLI D*和BLIP D*。

（c）光導聚合物響應（藍色）和替代聚合物（紅色）的商用InGaAs光電二極管對飛秒激光脈沖序列的響應。

（d）（上）單飛秒探測器瞬態擴展和單指數擬合（紅色）給出了10%~ 90%的上升時間115 μs和衰減常數109 μs。（下）光電導探測器的波德圖在1.6 kHz處顯示為-3 dB。

圖四、聚合物檢測器與III-V半導體的替代材料對比

與其他探測器技術相比，這種光電導（PC）探測器在JOLI和BLIP條件下的光譜D*。

【結論展望】

這項工作首次報道了在光譜區域使用 D-A共軛聚合物進行寬帶紅外光電檢測的技術。該探測器使用開殼式 D-A共軛聚合物有源層，對SWIR、MWIR 和 LWIR 段的光子進行感應，而目前除石墨烯以外的有機材料無法訪問這些區域。作者通過微波輔助的Stille交叉偶聯共聚反應開發了一種中性的高自旋D-A共軛聚合物，其大分子結構和電子拓撲結合在一起，能提供非常窄的光學帶隙（< 0.10 eV），是目前報道的共軛有機材料中和溶液可加工材料中最低的。該工作提供了強大的穩定性、極低能量下的帶隙控制、光電特性的輕松合成調控、溶液可加工性和室溫操作——這些特性是其他基于半導體的光電探測器無法協同實現的。這些優勢以及探測器制造過程的簡易性有望為檢測紅外光電子提供一種替代方法并實現全新的設備技術。

文獻鏈接：Broadband infrared photodetection using a narrow bandgap conjugated polymer (Sci. Adv. 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abg2418)

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