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华南理工大学为高性能红外成像技术开发有机光电探测器

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有机光电二极管可以在从近紫外到短波红外的广泛波长范围内发挥作用,优于传统的无机探测器

(映维网资讯)高像素、低成本、近红外和短波红外平面成像阵列广泛应用在AR/VR和机器人技术等领域。市场对高像素数、低成本焦平面阵列的需求激增。传统的SWIR光电二极管依赖于晶体锗或砷化铟镓,而它们具有包括高暗电流和复杂制造工艺在内的局限性。

基于有机半导体薄膜制备的红外光探测器成像阵列只需底电极图案化,具有更容易制造和可调谐光学特性的潜力。它们可以用于开发高像素密度的摄像头,具有极高的科学和商业价值。

基于上述背景,华南理工大学材料科学与工程学院的团队以吡啶并硒二唑、二噻吩并环戊二烯和二噻吩并吡咯为单体,开发了具有规整结构主链的窄带隙聚合物半导体。结果表明,有机光电二极管可以在从近紫外到短波红外的广泛波长范围内发挥作用,优于传统的无机探测器。

以经典的窄带隙聚合物PCDTPT为蓝本,通过杂原子取代、控制主链中吡啶环的氮原子朝向和延长烷基链支化位点等方法,团队成功合成新型的聚合物半导体PPCPD,其带隙降低到0.92 eV,并且仍然能保持半导体的特性。聚合物PPCPD的吸收光谱可有效覆盖近红外和部分短波红外波段,其峰值波长在~1.15微米。

通过PPCPD与n型有机半导体材料PC61BM或者N2200分别共混构筑体异质结薄膜,其二极管型的光探测器件可以实现400-1400 纳米的连续探测,在1.15微米波长器件部分性能指标达到铟镓砷的水平。

然后,基于优化后的器件结构,团队开发了一维的成像阵列,像素间距为25微米,分辨率为1×256。其像素的有效面积完全由底电极定义,有机半导体光敏层和公共电极无需做像素级的图案化加工。

这种有机光电探测器组装成高像素密度的图像阵列,它们具有不需要在感测层中进行像素级图案化的独特特征。这种方法简化了制造过程并显著降低了成本。

相关论文Infrared Photodetectors and Image Arrays Made with Organic Semiconductors

团队表示:“我们开发的有机光电探测器标志着朝着具有成本效益、高性能的红外成像技术迈出了关键一步。这种设备为传统无机光电二极管提供了一种灵活且可扩展的替代品。”

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