【儀表網 儀表研發】近日，加州大學圣塔芭芭拉分校高分子及有機固體研究所的團隊在期刊《Advanced Materials》上發表了題為“A High‐Performance Solution‐Processed Organic Photodetector for Near‐Infrared Sensing”的研究工作。論文作者為博士研究生黃健飛，通訊作者為Thuc-Quyen Nguyen教授和Guillermo C. Bazan教授。研究工作展示了一類基于新型窄禁帶非富勒烯電子受體的近紅外有機光探測器。得益于其出色的光電轉化和快速檢測響應能力，此光探測器經封裝可用于無創的光電脈容積脈搏波的實時監測。
 

　　光探測器的活性層材料對光響應性至關重要。作者選用有機高分子半導體PTB7-Th作為電子供體材料，結合一種新型的窄禁帶(——1.2 eV)非富勒烯小分子作為電子受體材料CO1-4Cl(圖1a)，構筑了光探測器體異質結的活性層，使其獲得了良好的可見光—近紅外吸收光譜(圖1b)。PTB7-Th和CO1-4Cl的能級形成了典型的相互交錯間隙關系(圖1c)，有利于光生激子在供體—受體界面的有效電荷分離。對于兩種活性層厚度的光探測器，在0.1 V的小逆向偏壓下即可在紅光致近紅外區域獲得60%—70%的外量子轉化效率(圖1d)。相較于其他文獻已報道的基于有機p-n結的非增益型光探測器，該工作的光探測器具有更優異的近紅外光響應性(圖1e)。
 

　　圖1. 光檢測器活性層材料的有機半導體的(a)化學結構和(b)薄膜吸收光譜；(c)光探測器件基本結構和能帶結構示意圖; (d)光探測器的光響應性和外量子效率；(e)本文與其他文獻的光響應性的比較。
 

　　在極弱信號檢測的應用中，限制因素往往來自于暗電流引起的噪音信號。為了抑制暗電流和噪音信號，作者通過“厚異質結策略”，使厚活性層的器件在2伏特的逆向偏壓下獲得了納安每平方厘米級別的低暗電流(圖2a)。這樣低的暗電流得益于對空間電荷限制電流的有效抑制(圖2b-c)。結合之前所述的高光響應性，即便在較大逆向偏壓下(2 V)同樣能保持10^12 Jones的比探測率(圖2d-e)。也就是說，其能檢功率密度低至約幾皮瓦每平方厘米(小于AM 1.5G太陽光功率密度的百億分之一)的極弱的940 nm近紅外光信號。
 

　　圖2 . (a)光探測器的光電流和暗電流；(b)厚活性層和(c)薄活性層的光探測器校正電流密度與逆向偏壓的關系；(d) 薄活性層和(e)厚活性層的結光探測器的探測率
 

　　作者進一步將制備的光探測器應用于光電容積脈搏波法(圖3a)。該方法中，首先以一束近紅外光照射人體部分(通常為手指)，再通過光探測器收集并檢測透射/反射的近紅外光(圖3b-c)。由于血管在心動周期中舒張和收縮導致光吸收/散射的變化，可獲得心率、心率變異性等有用的臨床醫療信息。
 

　　圖3. (a)光電容積脈搏波檢測的基本原理；(b)通過基于本文光探測器的光電容積脈搏波法檢測的(b)正常與(c)運動后的脈搏信號
 

　　背景
 

　　近紅外光通常指750 nm至1400 nm的電磁波。其在電磁輻射光譜中緊鄰可見光的紅光波段，屬于短波長的一段紅外線。雖然看不見、摸不著，但近紅外探測在許多技術中都有著重要作用。例如，自動化控制、夜視監控、生物熒光顯影、紅外線攝影等都需要的紅外光探測器。近紅外光探測器通常依賴于單晶硅、鍺、硒化銦/鎵等窄禁帶的無機半導體材料。然而，該類器件一般工藝復雜、造價昂貴、機械性能差、溫度敏感性高。相較而言，可溶液加工的有機半導體可實現高性價比的近紅外光探測器的制備。其軟物質的特性同樣有利于將其應用于柔性器件中，便于集成于可穿戴傳感器系統。
 

　　目前，對近紅外光具有光響應性的有機光探測器仍然存在著光電轉化效率低和對極弱信號檢測能力不足的問題。為此，提高器件的外量子效率和抑制檢測條件下的的暗電流是進一步提高有機光探測器性能的關鍵。