研究背景

隨著人工皮膚、健康監(jiān)測(cè)設(shè)備及可拉伸顯示等可穿戴電子市場(chǎng)的快速發(fā)展，有機(jī)光電探測(cè)器因其輕質(zhì)、可變形及機(jī)械柔性等特性受到廣泛關(guān)注。有機(jī)半導(dǎo)體的分子可調(diào)性使其支持寬帶探測(cè)，尤其在近紅外傳感領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。為了有效適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)帶來的復(fù)雜多向形變，下一代器件需要超越簡(jiǎn)單的柔性，向所有組成層均可任意方向拉伸的本征可拉伸有機(jī)光電探測(cè)器方向發(fā)展。然而，目前已報(bào)道的本征可拉伸有機(jī)光電探測(cè)器在機(jī)械應(yīng)變下普遍存在探測(cè)率顯著下降的問題，這主要源于光活性層的機(jī)械脆性及其在形變過程中電荷傳輸路徑斷裂、陷阱態(tài)增加等因素，嚴(yán)重制約了其在可穿戴電子中的實(shí)際應(yīng)用。本研究針對(duì)當(dāng)前計(jì)算光譜儀中光譜編碼器存在的帶寬有限、光通量低等關(guān)鍵問題，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于高折射率過渡金屬硫族化合物（TMDCs）的寬帶高分辨率快照光譜儀。該光譜儀在可見光至短波紅外波段表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)調(diào)制能力，為實(shí)時(shí)、高精度光譜傳感與成像提供了新的解決方案。

圖1. IS光電探測(cè)器

圖2. IS-OPDs中應(yīng)變誘導(dǎo)增強(qiáng)的關(guān)鍵要求

核心創(chuàng)新點(diǎn)

本研究次報(bào)道了一種在機(jī)械應(yīng)變下探測(cè)率不降反升的本征可拉伸有機(jī)光電探測(cè)器。這一突破源于一種新型雙層光活性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)由底層的聚合物給體-彈性體雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)與頂層的近紅外吸收小分子受體層構(gòu)成。底層的聚合物給體與SEBS彈性體形成共連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的機(jī)械拉伸性與高效的電荷傳輸；頂層的小分子受體層則拓寬了探測(cè)范圍至近紅外區(qū)，并形成明確的給體-受體界面。基于這一設(shè)計(jì)，器件在75%應(yīng)變下比探測(cè)率從1.9×1013 Jones提升至2.8×1013 Jones，考慮光活性面積增大后的探測(cè)率也提升了1.3倍，這是次實(shí)驗(yàn)證實(shí)的應(yīng)變誘導(dǎo)探測(cè)率增強(qiáng)現(xiàn)象。

圖3. 偽自由支撐拉伸試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4. 應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

工作機(jī)制

該探測(cè)器性能增強(qiáng)的機(jī)制源于以下幾個(gè)方面。首先，底層中聚合物給體與SEBS彈性體形成的雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)提供了高效的電荷傳輸通道，同時(shí)彈性體作為機(jī)械框架可耗散應(yīng)力。其次，在拉伸過程中，彈性體介導(dǎo)的限域效應(yīng)促進(jìn)了聚合物給體的分子有序排列與結(jié)晶性提升，X射線散射表征顯示其結(jié)晶相干長度及相對(duì)結(jié)晶度均有所增加。這一結(jié)構(gòu)演化有效抑制了陷阱態(tài)的形成，陷阱密度從3.9×101? cm?3降至2.6×101? cm?3，導(dǎo)致暗電流在75%應(yīng)變下反而降低。同時(shí)，頂層小分子受體層的存在阻擋了外部空穴注入，進(jìn)一步抑制暗電流。瞬態(tài)光電壓測(cè)試顯示載流子壽命從0.507 ms延長至0.574 ms，證實(shí)了載流子復(fù)合的減少。綜合效應(yīng)使得器件在拉伸時(shí)保持了高響應(yīng)度，同時(shí)降低了暗電流，從而實(shí)現(xiàn)了探測(cè)率的提升。

圖5. 性能與應(yīng)變關(guān)系

應(yīng)用驗(yàn)證

研究系統(tǒng)評(píng)估了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)器件性能的影響。與傳統(tǒng)的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、彈性體置于頂層的雙層結(jié)構(gòu)及無彈性體的雙層結(jié)構(gòu)相比，所提出的底層彈性體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在機(jī)械性能與光電性能上均展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。該結(jié)構(gòu)的光活性層裂紋起始應(yīng)變達(dá)56.1%，遠(yuǎn)高于對(duì)照體系。基于此的剛性器件比探測(cè)率達(dá)3.4×1013 Jones（860 nm），線性動(dòng)態(tài)范圍為97 dB。在1000次30%應(yīng)變的循環(huán)拉伸釋放測(cè)試后，器件仍保持92%的初始探測(cè)率。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在PM6:Y6-BO及D18:L8-BO等其他給體-受體體系中同樣驗(yàn)證了其有效性，展現(xiàn)了良好的普適性。這項(xiàng)工作為可穿戴近紅外傳感器的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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