美国加州大学圣地亚哥分校Acc. Chem. Res.:基于聚合物的红外光探测器的设计与表征

【引言】

红外光探测器在很多领域都有重要的应用，包括监控系统、通讯、过程监控和生物成像。短波段的红外光在健康追踪和医疗诊断中具有很实际的应用，因为生物组织对这种波段的光具有较弱的吸收和自荧光，以及红外光相对于可见光具有更强的组织穿透能力和更高的分辨率。目前为止，大多数红外光探测器都是基于无机半导体。这些探测器具有价格昂贵、制程复杂以及较难在可穿戴设备上得到应用的缺点。可溶液加工的半导体被应用于红外探测器中，可实现直接沉积、单片集成和利用现有技术无法实现的分辨率。除此之外，有机半导体还有诸多优点，包括温度稳定性、生物稳定性和大面积形貌覆盖。

【成果简介】

美国加州大学圣地亚哥分校的科学家在Acc. Chem. Res.上，发表了题为"Emerging Design and Characterization Guidelines for Polymer-Based Infrared Photodetectors"的综述。这篇综述介绍了有机光探测器领域近年来的发展与进步。依靠有机太阳能电池的研究在过去十年中的迅速发展，高效率的可见光-近红外有机光探测器也得到了发展。然而，可吸收红外光的光探测器并不多，目前只有几种有机材料可以实现1 μm的光电流。文章总结了几种新型的小分子和聚合物，并讨论了发展窄带隙光探测器所遇到的瓶颈。

【图文导读】

Figure1.近红外生物成像

(a).不同生物组织的吸收光谱

(b).不同波长的小鼠脑部荧光成像

(c).探测能力随温度的变化

Figure2.几种近红外有机半导体的化学结构和性能表征

(a-e).几种近红外有机半导体的化学结构

(f).本体异质结光二极管的器件结构和表征

(g).光转换器的器件结构和表征

Figure 3.有机半导体的能带结构和表征

(a).异质结薄膜的能级图

(b).当E_g降低，E_CT的变化

(c).在不同波长照射下，内量子效率随电场的变化

(d).分流电阻随E_CT的变化

(e).噪音电流随频率的变化

(f).探测能力随波长的变化

图4.器件表征

(a).由于电极界面能级不匹配而导致的电荷引出势垒

(b).光电流随时间的变化

(c).外量子效率随波长的变化

(d).光传导增益机理示意图

(e).光转换器电流随时间的变化

(f).外量子效率随波长的变化

图5.红外光探测器的实际应用

(a).近红外光二极管在指尖的示意图

(b).光学体积描记示意图

(c).光学体积描记信号检测

(d).肌肉收缩探测示意图

(e).不同浓度下的透射光谱

(f).检测生物组织中的脂肪含量

【小结】

红外光探测器凭借较强的组织穿透能力、较高的分辨率和对生物组织破坏较小的特点在生物电子设备中得到了广泛地应用。有机材料因为大面积形貌覆盖、温度稳定和低成本的特点，为红外光探测器带来了新的优势。新型的窄带隙有机电子材料的研究可以减少带尾混乱，以及增加电荷转移。而器件方面的研究主要集中于增强电荷传输和光谱响应。

Emerging Design and Characterization Guidelines for Polymer-Based Infrared Photodetectors

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

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