Adv. Funct. Mater.：具有高增益定制响应频谱的无滤波窄带光电探测器

【引言】

通过将宽带光电探测器与复杂的光学滤波器耦合来实现传统的窄带光电探测。最近报道的电荷收集变窄，一种替代的无过滤器的策略，在牺牲灵敏度的情况下实现非常窄的光谱检测。在这里提出了一种新的策略，通过使用具有本质上通用性和窄带吸收的染料分子来定制具有高增益的响应光谱。器件配置是有机染料/Zn_0.9Mg_0.1O纳米粒子/石墨烯，其中有机染料用作窄带吸收剂，石墨烯作为快速载流子传输通道，Zn_0.9Mg_0.1O纳米粒子起到增强染料负载的三重作用抑制染料聚集和阻断电荷反向复合。进一步实现具有双频带吸收的有机染料，以展示具有定制响应谱的窄带光电探测器。该方法为实现电子皮肤和可穿戴电子应用的高效柔性窄带光电检测开辟了途径。

【成果简介】

近日，华中科技大学唐江（通讯作者）课题组在Adv. Funct. Mater.上发表了题为“Flexible Filter-Free Narrowband Photodetector with High Gain and Customized Responsive Spectrum” 的文章。该研究团队使用有机染料作为窄带吸收剂和石墨烯作为载流子传输通道的敏感和窄带混合光电探测器。使用夹杂的Zn_0.9Mg_0.1O纳米颗粒缓冲层来抑制染料分子共轭和染料分子与石墨烯之间的π键共振，并且还用作电荷转移的中继层。通过吸收小的BODIPY敏化剂（BET）染料来描述，混合BET/Zn_0.9Mg_0.1O纳米颗粒/石墨烯（BZG）光电探测器在470-580nm范围内显示光响应，峰值响应度为8×10³AW^-1。类似地，另一种杂化染料分子（N₄）/Zn_0.9Mg_0.1O纳米颗粒/石墨烯（NZG）器件在400-500nm和610-700nm处实现了窄带光电检测，与N₄分子的吸收光谱一致。此外，窄带BZG光电探测器表现出优异的灵活性，而使用干涉滤光片的商业窄带光电探测器完全丧失其功能。因此，工作突出了使用染料敏感的窄带光电探测器的巨大潜力，特别是那些需要灵活性和定制响应光谱。

【图文导读】

图1 BET分子结构导致不同的光吸收

（a）具有离散能级的单一BET分子；

（b）具有共振吸收的BET和石墨烯结构；

（c）与连续能带耦合的BET分子；

（d）分散的BET分子吸收在甲苯中；

（e）石墨烯和Zn_0.9Mg_0.1O/石墨烯结构上的BET吸收；

（f）BZG结构的横截面和放大的顶视图；

（g）BET和BET与Zn_0.9Mg_0.1O纳米粒子在甲醇中的光致发光（PL）光谱。

图2 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封装的BZG器件的窄带光电检测

（a）器件结构；

（b）电流-电压（I-V）曲线；

（c）在不同波长照明下的瞬态响应（I-t）；

（d）作为入射波长的函数的响应；

（e）频率响应；

（f）测量不同频率的电流噪声；

（g）作为PMMA封装的BZG器件的530nm光功率密度的函数，在1Hz下测量的响应度和特异性检测率。

图3 NZG器件的窄带光电检测

（a）N₄分子在Zn_0.9Mg_0.1O纳米粒子层上的典型吸收；

（b）N₄分子和Zn_0.9Mg_0.1O纳米粒子层的PL光谱；

（c）基于N₄/石墨烯装置（灰点）和NZG装置（黑点）作为入射波长的函数的响应性；

（d）NZG设备的波长相关检测。

图4 灵活的BZG窄带光电探测器

（a）白光通过平面示意图；

（b）曲面多层干涉滤光片和一个蓝色滤光片层中的光路；

（c）弯曲状态下BZG装置的窄带EQE。

【小结】

该研究团队使用有机染料作为敏化剂来实现与柔性电子器件兼容的敏感窄带光电检测。依赖于有机染料受控吸附到Zn_0.9Mg_0.1O纳米颗粒上，使得染料染料偶合和π共振被抑制，从而保持光敏剂染料的固有窄带特性。我们进一步将这些致敏纳米颗粒与石墨烯底物相结合，使得光生电荷可以从染料转移到石墨烯，然后由电极有效地收集。采用这种结构，我们实现了FWHM为60nm，响应度为8×10³AW^-1，检测率为1.7×10¹²Jones的BZG混合光电探测器。与可比较电场下最佳报告的窄带光电探测器相比，响应度提高了四个数量级。还展示了该架构的广泛应用，并且使用N4染料作为敏化剂实现了双频带窄带光电检测。该方法不依赖于光学滤波器，并且与柔性和可佩戴的电子元件兼容。考虑到有机染料在自然界和合成化学中的丰富选择，同时为窄带光电检测提供了一种新的强大的方法，易于集成，可调谐响应光谱和高灵敏度，对于柔性窄带光电检测特别有竞争力。

文献链接： Flexible Filter-Free Narrowband Photodetector with High Gain and Customized Responsive Spectrum（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 1002/adfm. 201702360）

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