短波红外有机光子材料及光电探测器件的基础问题研究

The proposed project focuses on the fundamental study of short-wave (1000-3000 nm) infrared responsive organic photonic materials and photodetectors, and addresses three key scientific issues related to the materials and devices: 1) rational design and controlled synthesis of bandgap-tunable organic materials, 2) correlation between the microscopic property of organic materials and macroscopic property of devices, and 3) transport behaviors of charge carrier and photons in organic optoelectronic devices. The research is to be conducted progressively in a cycle, from molecular design to material preparation and characterization to device fabrication and correlation study and back to molecular design. The proposed research is expected to make a significant contribution to the research and development of a new generation of infrared photonics materials, devices and technologies.

本项目重点研究具有短波红外（1000-3000纳米）光电响应等特性的有机光子材料及光电探测器件的一些基础问题，并深入探讨与材料和器件相关的三个科学问题：1）有机红外光子材料的设计、能带调控及制备方法；2）材料微观物性与器件宏观参数的关联性；3）器件中材料表面性质和界面匹配及其对光电转换过程的调控关系。项目的实施采取循环渐进、逐步上升的方式：从设计功能性构筑单元开始，合成三种功能性的单体化合物，通过可控聚合和杂化制备四类短波红外有机光子材料；经过材料的性能比较和筛选，将入选的材料用于研制短波红外光电探测器；通过探索材料物性与器件参数之间的内在关系，将主要的相关参数反馈到材料设计阶段，循环优化材料、逐步提高器件性能。本项目研究成果将为新一代红外光子材料和红外探测技术的发展提供新的途径和技术储备。

为解决响应波长可以到短波红外波段的共轭聚合物光电探测器领域存在的三个基本科学问题：1）有机红外光子材料的设计、能带调控及制备方法；2）材料微观物性与器件宏观参数的关联性；3）器件中材料表面性质和界面匹配及其对光电转换过程的调控关系，本项目开展了较为系统的研究工作。取得的主要结果如下：. 通过研究基于NDI和PDI的电子受体共轭聚合物分子结构中给体单元给电子能力的变化对材料与器件性能的影响发现，给体单元给电子能力越小，聚合物的LUMO能级和HOMO能级越低，聚合物光电探测器的暗电流密度也越低。将所设计合成的受体聚合物作为N型材料与PTB7-Th共混作为活性层，制备了全聚合物光电探测器，器件的暗电流密度都在nA以下，归一化探测率最大为1.4E13 Jones。. 通过调节NDI型电子受体聚合物分子结构中噻吩和联噻吩的含量，得到了均聚物和共聚物型的电子受体材料，将均聚物共混后，得到与共聚物NDI结构单元含量相同的共混物，对比研究了均聚物、共聚物、共混物作为电子受体材料对全聚合物光电探测器性能的影响。结果发现受体材料体系组分的不同，对分子堆积和活性层薄膜形貌等性质有较大的影响，受体共聚物具有光滑的活性层薄膜形貌，其器件的暗电流也最低，在320-980 nm的光谱响应范围内归一化探测率都在1E12 Jones以上。.以铝掺杂的ZnO纳米粒子和氨取代的苝二酰亚胺（PDIN）制备了新型有机无机杂化界面材料AZO:PDIN，与界面材料AZO相比，AZO:PDIN修饰的ITO电极功函降低了0.19 eV，LUMO能级从-3.79 eV降至-3.93 eV，方块电阻降低了0.4 Ω，水相接触角由53 o降至24 o。并且，纳米粒子在膜态的排列聚集更有序，纳米粒子间的界面大幅减少，降低了其表面态密度和氧空位，有利于降低器件的界面注入势垒。采用该界面材料制备的增益型光电探测器的最大EQE达到了25982%，最大响应度达到77.5 A/W，最大归一化探测率达到2.1E14 Jones，这是目前二极管型聚合物光电探测器领域首次同时实现高增益宽光谱（300-1700 nm）响应的光电探测器。. 通过该项目的研究，累计发表论文22篇，培养了6名博士研究生。