基于电荷转移复合物红外增色效应的有机光敏场效应管制备及性能研究

Infrared organic photodetectors with their advantages of high responsivity, wide response spectrum, simple preparation process and working under the normal temperature have become one of the hot topics in the field of novel infrared detection technology. The charge transfer complexes (CTCs) films formed by the rational choice of the donor-acceptor (D-A) system have efficient absorption at the near-infrared wavelengths. Fabricating organic phototransistors (OPTs) with a dual function of light detection and signal amplification based on CTCs is an effective way to achieve high-performance infrared detector, which has not yet been reported. In this project, CTC films with the structure of superlattice or bulk heterojunction will be prepared based on D-A system formed by p-type small organic molecules and transition metal oxides. Moreover, the near-infrared OPTs will be fabricated by both the CTC photosensitive layer and the high mobility charge-transport layer. The relationships between the CTC hyperchromic effect and D-A interface band structure (or molecular configuration) will be investigated. The generation, dissociation and transport mechanisms of excitons in the CTC-OPTs will be analyzed. The contact properties in the interface between electrodes and CTC-films will be studied, so as to improve the devices’ performances by introducing the electrode buffer layer. The smooth implementation of the project will help fabricate high performance near-infrared OPTs and provide theoretical and experimental basis for future large-scale application of OPTs in the infrared light detection and imaging.

有机红外探测器具有响应度高、响应频谱宽、制备工艺简单和无需低温工作环境等优点，已成为新型红外探测技术研究的热点。恰当选择给体-受体(D-A)体系形成的电荷转移复合物(CTC)薄膜能够在近红外波段有高效吸收。基于CTC薄膜制备兼具有光探测和信号放大功能的有机光敏场效应管(OPT)是实现高性能红外探测器的有效途径，但目前还未见相关研究报道。本项目拟采用基于p型有机小分子和过渡金属氧化物的D-A体系，制备超晶格或体异质结结构的CTC薄膜，并以该薄膜为光敏层搭配高迁移率传输层制备近红外OPT。探寻CTC增色效应与D-A界面能带结构及分子构型的关系；分析激子在CTC-OPT中产生、离解及输运机制；研究电极/CTC薄膜界面的接触特性，并通过引入电极缓冲层等方式改善器件性能。本项目的顺利实施将有望制备高性能的近红外OPT，并为未来有机红外探测器在红外光源检测及成像等方面的大规模应用提供理论与实验依据。

有机红外探测器具有响应度高、响应频谱宽、制备工艺简单和无需低温工作环境等优点，已成为新型红外探测技术研究的热点。本项目基于无机金属氧化物作为电子受体和有机小分子作为电子施体形成的电荷转移复合物（CTC）制备了在近红外（800 – 1600 nm）波段范围内有明显吸收增色效应的复合体系光敏薄膜。这个在近红外波段的特征吸收并非来源于两种材料本身，而是来自于两种分子间电荷转移形成的子带隙吸收。在成功筛选多组CTC光敏薄膜的基础上，我们进一步试制了基于CTC的光敏薄膜晶体管，并对器件进行了一系列CTC光敏层厚度优化，电极功函数的优化等。其中，基于WO3和m-MTDATA的CTC光敏薄膜制备的沟道层为并五苯的光敏薄膜晶体管OPT，在1310 nm近红外光照下，光生电流增益显著，Vgs=Vds=-50 V时，器件的净光生电流为4.15 uA，光响应度可达0.4A/W。该器件的响应时间为760 us，达到甚至超过部分传统的无机红外探测器件。通过理论分析，建立了光生激子在含有CTC的有机光敏场效应管中产生、离解、输运的模型。我们对近红外光谱选择性辐射体也做了一些研究，制备了Er2O3薄膜型近红外红外光谱选择性辐射体，样品在1550 nm左右出现了Er3+离子的特征辐射, 表现出明显的选择辐射特性，另外我们还试制了一套专门用于高温近红外光谱测试的系统。相关研究成果已发表SCI论文4篇，申请发明专利4项，其中已授权2项，已公开2项。本研究的顺利实施及相关研究成果为有机红外探测器在红外光源检测及成像等方面的大规模应用提供理论与实验依据。