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湘南學院韓滔/廣東省科學院張小鋒等Nat. Commun.: 擴散界面調控受體相增強雙層近紅外聚合物光敏晶體管性能

2022-03-22 來源：高分子科技

窄帶系的近紅外聚合物極易造成激子結合能高、光生激子解離困難，這是阻礙近紅外光敏晶體管性能提升的主要障礙。現有技術中通過構建基于溝道傳輸層/體異質結層的雙層器件是攻克該難題的有效策略之一。然而，在溶液法制備雙層有機薄膜器件時，兩層薄膜容易發生界面互溶，造成體異質結層中的受體相溶解進入溝道傳輸層并且隨機分布，導致器件的開啟電壓和關態暗電流等性能參數難以改善。如何控制互溶界面中受體相的分布，是雙層聚合物器件領域的重大挑戰之一。

近期，湘南學院韓滔副教授（第一/通訊作者）團隊聯合廣東省科學院張小鋒博士（通訊作者）和華南理工大學劉琳琳教授開發了一種新穎的雙層薄膜光敏晶體管制備技術（圖1）：將轉印成膜法和溶劑蒸汽退火結合，形成擴散界面取代互溶界面成功實現了對受體相的有效控制。首先，利用轉印成膜法得到互不干擾的雙層薄膜，避免了互溶界面的存在（圖2）；其次，對雙層轉印薄膜進行溶劑蒸汽退火，驅動PC₆₁BM受體相由體異質結層進入到溝道傳輸層，通過原位拉曼光譜和UV吸收光譜證明了該擴散過程的存在（圖3）；最后基于PDPP3T/PDPP3T:PC₆₁BM體系的近紅外光敏晶體管，展現出極寬的光譜響應（400-1100 nm）和高EQE值（1000-13000 × 100%），超高的光暗電流比（I_ph/I_dark~ 1.7 × 10⁷），開啟電壓為0 V，響應速度達到93/74 μs（圖4-圖5）。這項研究工作提出的新型器件結構對于制造高性能、低成本的光敏晶體管具有良好的適用性。該工作以“Diffusion interface layer controlling the acceptor phase of bilayer near-infrared polymer phototransistors with ultrahigh photosensitivity”為題發表在《Nature Communications》上（Nature Communications, 2022, 13, 1332）。

圖1 器件結構、分子式和轉印成膜流程圖

圖2 互溶界面和轉印界面對比

圖3 原位拉曼光譜和UV吸收光譜證明擴散界面層

圖4 PDPP3T/PDPP3T:PC₆₁BM器件蒸汽退火前后電學性能性能對比

圖5 PDPP3T/PDPP3T:PC₆₁BM器件蒸汽退火前后響應速度對比和退火條件優化

該工作是團隊近期關于受體相調控光生電子增強光探測器件性能相關研究的最新進展之一。近幾年，團隊利用金屬納米粒子中的空穴釋放與受體相中光生電子復合的工作機理，提升了有機探測器件綜合性能（ACS Photonics，2018，5，4650-4659）；利用能級梯度減少光生電子在受體相中轉移過程的能級差，增強了光探測器件的響應速度（Org. Electron.，2020，86，105883）；通過光-電雙控操作來驅動光生電子在受體相中的捕獲和釋放行為，極大提升了光敏晶體管響應速度（J. Mater. Chem. C，2019，7，4725-4732）；改變聚合物光敏晶體管中受體相摻雜濃度，揭示了光生電子運動機理（J. Mater. Chem. C，2020，8，12284-12290）。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28922-4

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（責任編輯：xu）

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