湘南学院韩滔/广东省科学院张小锋等Nat. Commun.: 扩散界面调控受体相增强双层近红外聚合物光敏晶体管性能

2022-03-22 来源：高分子科技

窄带系的近红外聚合物极易造成激子结合能高、光生激子解离困难，这是阻碍近红外光敏晶体管性能提升的主要障碍。现有技术中通过构建基于沟道传输层/体异质结层的双层器件是攻克该难题的有效策略之一。然而，在溶液法制备双层有机薄膜器件时，两层薄膜容易发生界面互溶，造成体异质结层中的受体相溶解进入沟道传输层并且随机分布，导致器件的开启电压和关态暗电流等性能参数难以改善。如何控制互溶界面中受体相的分布，是双层聚合物器件领域的重大挑战之一。

近期，湘南学院韩滔副教授（第一/通讯作者）团队联合广东省科学院张小锋博士（通讯作者）和华南理工大学刘琳琳教授开发了一种新颖的双层薄膜光敏晶体管制备技术（图1）：将转印成膜法和溶剂蒸汽退火结合，形成扩散界面取代互溶界面成功实现了对受体相的有效控制。首先，利用转印成膜法得到互不干扰的双层薄膜，避免了互溶界面的存在（图2）；其次，对双层转印薄膜进行溶剂蒸汽退火，驱动PC₆₁BM受体相由体异质结层进入到沟道传输层，通过原位拉曼光谱和UV吸收光谱证明了该扩散过程的存在（图3）；最后基于PDPP3T/PDPP3T:PC₆₁BM体系的近红外光敏晶体管，展现出极宽的光谱响应（400-1100 nm）和高EQE值（1000-13000 × 100%），超高的光暗电流比（I_ph/I_dark~ 1.7 × 10⁷），开启电压为0 V，响应速度达到93/74 μs（图4-图5）。这项研究工作提出的新型器件结构对于制造高性能、低成本的光敏晶体管具有良好的适用性。该工作以“Diffusion interface layer controlling the acceptor phase of bilayer near-infrared polymer phototransistors with ultrahigh photosensitivity”为题发表在《Nature Communications》上（Nature Communications, 2022, 13, 1332）。

图1 器件结构、分子式和转印成膜流程图

图2 互溶界面和转印界面对比

图3 原位拉曼光谱和UV吸收光谱证明扩散界面层

图4 PDPP3T/PDPP3T:PC₆₁BM器件蒸汽退火前后电学性能性能对比

图5 PDPP3T/PDPP3T:PC₆₁BM器件蒸汽退火前后响应速度对比和退火条件优化

该工作是团队近期关于受体相调控光生电子增强光探测器件性能相关研究的最新进展之一。近几年，团队利用金属纳米粒子中的空穴释放与受体相中光生电子复合的工作机理，提升了有机探测器件综合性能（ACS Photonics，2018，5，4650-4659）；利用能级梯度减少光生电子在受体相中转移过程的能级差，增强了光探测器件的响应速度（Org. Electron.，2020，86，105883）；通过光-电双控操作来驱动光生电子在受体相中的捕获和释放行为，极大提升了光敏晶体管响应速度（J. Mater. Chem. C，2019，7，4725-4732）；改变聚合物光敏晶体管中受体相掺杂浓度，揭示了光生电子运动机理（J. Mater. Chem. C，2020，8，12284-12290）。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28922-4

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（责任编辑：xu）

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