《名家专栏》倍增型有机光电探测器系列（下）——性能优化及前沿应用探索

一、 倍增型有机光电探测器的性能优化

(1) 界面工程作为调控电极/有源层接触特性的核心手段，为提升PM-OPDs的性能提供了有效路径。通过甄选界面层，可以有效调控电极功函数、增大电荷注入势垒和钝化界面缺陷来抑制暗电流。同时，选用具备高透光率的界面层，可以确保光子高效到达有源层以维持电极附近的受陷电荷密度，进而保障光电流的稳定。代表性的研究成果总结如下：

1) 采用低空穴迁移率()和高透过率的界面层提升PM-OPDs的D*[14]。该团队通过采用低空穴迁移率的MPA2FPh-BT-BA替代PEDOT:PSS作为界面层，大幅降低了PM-OPDs的暗电流，如图4a所示。同时，由于其自身的高透过率有利于光子到达活性层，在降低暗电流的同时很好地保持了亮电流，使得优化后的PM-OPDs的D*提升了三倍，如图4b所示。

2) 钝化界面缺陷以减少漏电流来提高PM-OPDs的SNR[15]。界面缺陷作为漏电流的主要来源之一，会显著增大器件的暗电流。向PTAA中掺杂小分子DRCN5T后，可有效钝化薄膜表面缺陷。随着DRCN5T掺杂量增加，陷阱态密度显著降低，如图4c所示。当DRCN5T的掺杂量达到20 wt%时，PM-OPDs的暗电流*低，*优PM-OPDs的SNR达到了89000，如图4d所示。

3) 在电子型器件中引入电子缓冲层，有效抑制外部电子注入[16]。采用F8BT作为缓冲层，其较高的LUMO能级显著增大了电子注入势垒，将暗电流抑制三个数量级，SNR提高40倍以上，如图4e所示。同时，F8BT的深HOMO能级促进了光生空穴在电极附近的积累，增强了电子隧穿注入，并优化了活性层形貌，如图4f所示。

图4 界面工程提高PM-OPDs性能。具有两种不同界面层下的PM-OPDs：(a) J-V曲线。(b) D*。具有不同DRCN5T含量下PM-OPDs：(c) TDOS。(d) SNR。(e) 使用不同转速制备F8BT缓冲层下PM-OPDs的SNR。(f) 具有F8BT缓冲层的电子型PM-OPDs的原理示意图。

(2) 三元策略是提升PM-OPDs性能的重要手段。相较于二元体系，三元共混不仅能够通过引入第三组分拓展有源层的光子俘获范围，还可进一步调控活性层的分子堆积取向、陷阱电荷分布以及载流子传输平衡，从而在增强载流子隧穿注入效率的同时抑制暗电流并优化光谱响应。代表性的研究成果总结如下：

1) 通过引入高吸收系数、低HOMO能级的第三组分来平衡光吸收、暗电流抑制与空穴传输[17]。采用了有机薄膜晶体管（OTFT）材料PC12TV12T为主体系，其具备高空穴迁移率与合适的能级结构，但其吸收系数相对较低，限制了器件性能的进一步提升。为此，选用P3HT作为第三组分，其高吸收系数增强了光生载流子产生，较深的HOMO能级有效抑制了空穴注入，降低了暗电流，如图5a所示。同时，P3HT的引入优化了陷阱电子分布，增强了界面能带弯曲，促进了空穴隧穿注入。三元PM-OPDs的比探测率大幅提高至7.63×10^11 Jones，信噪比提升逾20倍，如图5b所示。

2) 通过引入具有高结晶性的小分子材料作为第三组分，调控活性层分子排列与形貌，增强空穴迁移率并优化受陷电子分布[18]。选用液晶小分子BTR调节PBDB-T的分子取向和结晶行为，降低了薄膜的陷阱态密度(图5c)，改善了活性层中的空穴传输通道，使空穴隧穿注入更高效。在-20 V偏压下，*优三元器件在660 nm处实现了19300%的EQE，如图5d所示。

3) 通过引入高迁移率的透明聚合物作为第三组分，协同优化空穴传输与陷阱分布[19]。选用Poly-TPD作为第三组分，其优异的空穴迁移率显著提升了活性层中的空穴传输效率，如图5e所示。EQE光谱表明(图5f)，三元策略有效平坦化了响应曲线，这归因于透明Poly-TPD削弱了活性层在强吸收波段的光子捕获，使更多光子穿透至Al电极附近产生受陷电子，从而补偿了原光谱凹陷区域，将620 nm处的EQE从1250%提升至3900%。

图5 三元策略提高PM-OPDs性能。具有不同P3HT含量下的PM-OPDs：(a) J-V曲线。(b) D*。(c) 具有不同BTR含量下PM-OPDs的TDOS。(d) 不同偏压下*优三元PM-OPDs的EQE光谱。具有不同Poly-TPD含量下的PM-OPDs：(e) 空穴迁移率。(f) EQE光谱。(g) 具有不同分子结构的窄带隙受体。(h) 使用不同受体材料制备的PM-OPDs的EQE光谱。

此外，通过材料设计调控注入电极附近的受陷电子密度也是提升PM-OPDs性能的有效策略[20]。例如，调控窄带隙受体的分子结构可增强其绝缘特性，从而提升陷电子能力(图5g)。具备更强绝缘特性的受体材料对受陷电子具有更强的束缚作用，可使界面能带更显著地弯曲，进而增强空穴的隧穿注入，提高器件的EQE。如图5h所示，以A-BTP-DT为电子陷阱的*优PM-OPDs展现出300-900 nm的响应范围，在-10 V偏压下EQE值可达7520%。

二、倍增型有机光电探测器的应用探索

(1) 图像传感：图像传感器由二维的光电探测器阵列组成，其中每个光电探测器单元产生一个像素以形成图像。该团队将PM-OPDs集成在大面积薄膜晶体管底板上[21]，研制出像素间距为75 μm、分辨率为338 ppi的图像传感器，如图6a所示。从获得的指纹图像中可以观察到清晰的指纹分支点和分支角度，这是用于识别身份的重要特征。窄响应OPDs可以应用于特定波段的成像传感，由于目标检测窗口外的杂散光被屏蔽，成像具有更高的精准度和稳定性[22]。利用红光窄响应PM-OPDs构建了无电流前置放大器的成像系统，如图6b所示。650 nm的光束可以穿过空心图案照射到窄响应PM-OPDs上。光电流信号和相应的位置信息可以被计算机采集并转换成图像，如图6c所示。复现的“BJTU”图像边界清晰，这得益于边界灰度值的快速变化。

图6 PM-OPDs在图像传感中的应用。(a) 阵列化PM-OPDs获取的指纹图像。(b) 基于红光窄响应OPDs的成像系统；(c) 获取的“BJTU”图像及对应虚线位置的灰度值分布。

(2) 健康监测：光电容积描记术 (PPG) 是一种用于监测血管容积变化的无创光学测量技术，广泛用于监测人体心率、血压、血氧饱和度等[23]。PPG传感器一般由LED光源和光电探测器组成，如图7a所示。透射光的强度会随着手指中血管的周期性舒张而发生变化，这可以通过PM-OPDs转换成电信号并由示波器记录。如图7b所示，在红光或近红外光照射下，该团队制备的PM-OPDs可稳定输出清晰的周期性PPG信号，计算得到被测者心率为87次每分钟、血氧饱和度为94.4%，这与商用监测设备的测量结果基本一致。如图7c所示，通过将PPG信号对时间求导，可以获得重要的特征点位。根据一阶导PPG信号，可以得到收缩峰与舒张峰之间的时间延迟ΔT；根据二阶导PPG信号，可以得到e/d的比值。这些参数可用于评估人体动脉的硬化程度，为血管疾病的诊断提供依据。

图7 PM-OPDs在健康监测中的应用。(a) 透射式PPG测量示意图。(b) 红光和近红外光测得的PPG信号、心率、血氧饱和度。(c) PPG信号及其一阶导数和二阶导数。

(3) 混合光信号解析：光检测是光通信领域的关键技术，具有波长选择性探测能力的光电探测器可以从混合光信号中提取出目标波段的信号，从而实现多路光通信。该团队研制的PM-OPDs具有可切换的紫外和红光窄响应，并且对弱光的探测灵敏度高，这些特性适用于解析混合弱光信号[13]。如图8a和8b所示，根据ASCII对光信号进行编码，使320 nm和610 nm的光信号分别带有信息“BJ”和“TU”。在两种混合光顶入射和底入射条件下，分别记录了器件的归一化输出电流，如图8c和8d所示。通过改变混合光信号的入射方向，编码的320 nm或610 nm光信号可以由*优器件识别。以*大输出电流值的一半作为区分高低电平信号的标准，可以从*优器件在顶入射和底入射条件下的输出信号中分别解码出信息“BJ”或“TU”。这些结果展现了窄响应PM-OPDs在解析混合弱光信号方面的应用潜力。

图8 用ASCII编码的 (a) 320 nm和 (b) 610 nm光信号。PM-OPDs在 (c) 顶入射或 (d) 底入射条件下的归一化输出光电流。

(4) 光控电路：光电探测器在光控电路中可作为光控开关，实现对负载器件的直接驱动与控制。该团队将PM-OPDs与LED及电源串联，构建了无需电流前置放大器的光控电路，如图9a所示[24]。在暗态下，PM-OPDs呈现高阻态，电路处于断开状态；当器件受到803 nm脉冲光照射时，界面捕获电子辅助的空穴隧穿注入机制使光电流急剧增大，电路导通，LED被点亮，且其亮度可通过调节入射光强度实现连续调控，如图9b所示。进一步地，该团队将优化后的PM-OPDs集成至包含三极管的控制电路中，构建了光控开关系统，如图9c所示[25]。在暗态下，器件输出微弱电流使三极管导通，LED点亮；在光照条件下，器件输出大电流使三极管关断，LED熄灭，实现了对LED的开关控制示。同时，PM-OPDs还展现出了优异的持续光电流稳定性，如图9d所示。光控电路利用PM-OPDs的光电流倍增特性，无需额外电流放大器即可实现高灵敏度的光控功能，展现出在光电开关、光通信及智能传感系统中的应用潜力。

图9 光控电路。(a) 基于PM-OPDs的光开关原理示意图。(b) 2 V偏压和不同光强下PM-OPDs的电流与时间曲线。(c) 基于PM-OPDs的光控电路原理示意图。(d) PM-OPDs在不同激光光照下的持久光电流曲线。

PM-OPDs在器件性能层面已取得长足发展，在前沿应用领域亦展现出广阔潜力，但其迈向大规模商业化应用仍面临诸多关键挑战。未来研究应聚焦于深入解析载流子陷阱动力学机制，探索如何在保持高光谱增益的同时进一步提升器件的响应速度与线性度，打破增益带宽积的限制。同时，关注开发本质稳定的有机半导体材料及先进封装技术，以解决器件长期运行的稳定性问题。此外，探索大面积、低成本的印刷制备工艺以保证阵列化器件的像素一致性，对于集成应用至关重要。随着与柔性电子、神经形态计算及物联网技术的深度融合，PM-OPDs有望在智能仿生视觉、健康监测及光通信等重要领域实现跨越式发展，成为下一代高性能光电传感技术的核心组件。

参考文献：

作者简介：

张福俊，北京交通大学教授

教育背景：

1995-1999年，中央民族大学 应用物理学（学士学位）；

2002-2007年， 北京交通大学 光学（博士学位），留校工作；

2007年讲师;    2009年破格副教授、硕士生导师；  2010年入选“红果园”人才计划 ；

2011年博士生导师；  2013年破格教授； 2014年入选“卓越百人”人才计划；

2018年 晋级三级教授； 2024年晋级二级教授

科研项目：

主持国家自然科学基金（2008年、2013年、2016年、2019年、2021年、2022年、2023年）青年、面上、国际合作与交流等7项；

主持北京市自然科学基金（2012年、2019年、2022年）3个面上项目；

主持高等学校基本科研业务费专题、卓越百人计划项目等2项；

主持合作开发横向项目（2022年、2023年、2024年、2026年）等。

参与工信部重点专项、国家自然科学基金集成项目、面上项目等

研究方向：

有机光电子材料与器件

光电信息工程