Adv. Funct. Mater.：具有高增益定制響應頻譜的無濾波窄帶光電探測器

【引言】

通過將寬帶光電探測器與復雜的光學濾波器耦合來實現傳統的窄帶光電探測。最近報道的電荷收集變窄，一種替代的無過濾器的策略，在犧牲靈敏度的情況下實現非常窄的光譜檢測。在這里提出了一種新的策略，通過使用具有本質上通用性和窄帶吸收的染料分子來定制具有高增益的響應光譜。器件配置是有機染料/Zn_0.9Mg_0.1O納米粒子/石墨烯，其中有機染料用作窄帶吸收劑，石墨烯作為快速載流子傳輸通道，Zn_0.9Mg_0.1O納米粒子起到增強染料負載的三重作用抑制染料聚集和阻斷電荷反向復合。進一步實現具有雙頻帶吸收的有機染料，以展示具有定制響應譜的窄帶光電探測器。該方法為實現電子皮膚和可穿戴電子應用的高效柔性窄帶光電檢測開辟了途徑。

【成果簡介】

近日，華中科技大學唐江（通訊作者）課題組在Adv. Funct. Mater.上發表了題為“Flexible Filter-Free Narrowband Photodetector with High Gain and Customized Responsive Spectrum” 的文章。該研究團隊使用有機染料作為窄帶吸收劑和石墨烯作為載流子傳輸通道的敏感和窄帶混合光電探測器。使用夾雜的Zn_0.9Mg_0.1O納米顆粒緩沖層來抑制染料分子共軛和染料分子與石墨烯之間的π鍵共振，并且還用作電荷轉移的中繼層。通過吸收小的BODIPY敏化劑（BET）染料來描述，混合BET/Zn_0.9Mg_0.1O納米顆粒/石墨烯（BZG）光電探測器在470-580nm范圍內顯示光響應，峰值響應度為8×10³AW^-1。類似地，另一種雜化染料分子（N₄）/Zn_0.9Mg_0.1O納米顆粒/石墨烯（NZG）器件在400-500nm和610-700nm處實現了窄帶光電檢測，與N₄分子的吸收光譜一致。此外，窄帶BZG光電探測器表現出優異的靈活性，而使用干涉濾光片的商業窄帶光電探測器完全喪失其功能。因此，工作突出了使用染料敏感的窄帶光電探測器的巨大潛力，特別是那些需要靈活性和定制響應光譜。

【圖文導讀】

圖1 BET分子結構導致不同的光吸收

（a）具有離散能級的單一BET分子；

（b）具有共振吸收的BET和石墨烯結構；

（c）與連續能帶耦合的BET分子；

（d）分散的BET分子吸收在甲苯中；

（e）石墨烯和Zn_0.9Mg_0.1O/石墨烯結構上的BET吸收；

（f）BZG結構的橫截面和放大的頂視圖；

（g）BET和BET與Zn_0.9Mg_0.1O納米粒子在甲醇中的光致發光（PL）光譜。

圖2 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封裝的BZG器件的窄帶光電檢測

（a）器件結構；

（b）電流-電壓（I-V）曲線；

（c）在不同波長照明下的瞬態響應（I-t）；

（d）作為入射波長的函數的響應；

（e）頻率響應；

（f）測量不同頻率的電流噪聲；

（g）作為PMMA封裝的BZG器件的530nm光功率密度的函數，在1Hz下測量的響應度和特異性檢測率。

圖3 NZG器件的窄帶光電檢測

（a）N₄分子在Zn_0.9Mg_0.1O納米粒子層上的典型吸收；

（b）N₄分子和Zn_0.9Mg_0.1O納米粒子層的PL光譜；

（c）基于N₄/石墨烯裝置（灰點）和NZG裝置（黑點）作為入射波長的函數的響應性；

（d）NZG設備的波長相關檢測。

圖4 靈活的BZG窄帶光電探測器

（a）白光通過平面示意圖；

（b）曲面多層干涉濾光片和一個藍色濾光片層中的光路；

（c）彎曲狀態下BZG裝置的窄帶EQE。

【小結】

該研究團隊使用有機染料作為敏化劑來實現與柔性電子器件兼容的敏感窄帶光電檢測。依賴于有機染料受控吸附到Zn_0.9Mg_0.1O納米顆粒上，使得染料染料偶合和π共振被抑制，從而保持光敏劑染料的固有窄帶特性。我們進一步將這些致敏納米顆粒與石墨烯底物相結合，使得光生電荷可以從染料轉移到石墨烯，然后由電極有效地收集。采用這種結構，我們實現了FWHM為60nm，響應度為8×10³AW^-1，檢測率為1.7×10¹²Jones的BZG混合光電探測器。與可比較電場下最佳報告的窄帶光電探測器相比，響應度提高了四個數量級。還展示了該架構的廣泛應用，并且使用N4染料作為敏化劑實現了雙頻帶窄帶光電檢測。該方法不依賴于光學濾波器，并且與柔性和可佩戴的電子元件兼容。考慮到有機染料在自然界和合成化學中的豐富選擇，同時為窄帶光電檢測提供了一種新的強大的方法，易于集成，可調諧響應光譜和高靈敏度，對于柔性窄帶光電檢測特別有競爭力。

文獻鏈接： Flexible Filter-Free Narrowband Photodetector with High Gain and Customized Responsive Spectrum（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 1002/adfm. 201702360）

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