研究背景

隨著人工皮膚、健康監(jiān)測設備及可拉伸顯示等可穿戴電子市場的快速發(fā)展，有機光電探測器因其輕質(zhì)、可變形及機械柔性等特性受到廣泛關注。有機半導體的分子可調(diào)性使其支持寬帶探測，尤其在近紅外傳感領域具有重要應用價值。為了有效適應人體運動帶來的復雜多向形變，下一代器件需要超越簡單的柔性，向所有組成層均可任意方向拉伸的本征可拉伸有機光電探測器方向發(fā)展。然而，目前已報道的本征可拉伸有機光電探測器在機械應變下普遍存在探測率顯著下降的問題，這主要源于光活性層的機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，嚴重制約了其在可穿戴電子中的實際應用。本研究針對當前計算光譜儀中光譜編碼器存在的帶寬有限、光通量低等關鍵問題，提出并實現(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)異的光學調(diào)制能力，為實時、高精度光譜傳感與成像提供了新的解決方案。

圖1. IS光電探測器

圖2. IS-OPDs中應變誘導增強的關鍵要求

核心創(chuàng)新點

本研究次報道了一種在機械應變下探測率不降反升的本征可拉伸有機光電探測器。這一突破源于一種新型雙層光活性結構的設計，該結構由底層的聚合物給體-彈性體雙連續(xù)網(wǎng)絡與頂層的近紅外吸收小分子受體層構成。底層的聚合物給體與SEBS彈性體形成共連續(xù)網(wǎng)絡，同時實現(xiàn)了優(yōu)異的機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范圍至近紅外區(qū)，并形成明確的給體-受體界面?；谶@一設計，器件在75%應變下比探測率從1.9×1013 Jones提升至2.8×1013 Jones，考慮光活性面積增大后的探測率也提升了1.3倍，這是次實驗證實的應變誘導探測率增強現(xiàn)象。

圖3. 偽自由支撐拉伸試驗獲得的應力-應變曲線

圖4. 應變下的應力-應變曲線

工作機制

該探測器性能增強的機制源于以下幾個方面。首先，底層中聚合物給體與SEBS彈性體形成的雙連續(xù)網(wǎng)絡提供了高效的電荷傳輸通道，同時彈性體作為機械框架可耗散應力。其次，在拉伸過程中，彈性體介導的限域效應促進了聚合物給體的分子有序排列與結晶性提升，X射線散射表征顯示其結晶相干長度及相對結晶度均有所增加。這一結構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，導致暗電流在75%應變下反而降低。同時，頂層小分子受體層的存在阻擋了外部空穴注入，進一步抑制暗電流。瞬態(tài)光電壓測試顯示載流子壽命從0.507 ms延長至0.574 ms，證實了載流子復合的減少。綜合效應使得器件在拉伸時保持了高響應度，同時降低了暗電流，從而實現(xiàn)了探測率的提升。

圖5. 性能與應變關系

應用驗證

研究系統(tǒng)評估了不同結構設計對器件性能的影響。與傳統(tǒng)的本體異質(zhì)結結構、彈性體置于頂層的雙層結構及無彈性體的雙層結構相比，所提出的底層彈性體網(wǎng)絡結構在機械性能與光電性能上均展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。該結構的光活性層裂紋起始應變達56.1%，遠高于對照體系?；诖说膭傂云骷忍綔y率達3.4×1013 Jones（860 nm），線性動態(tài)范圍為97 dB。在1000次30%應變的循環(huán)拉伸釋放測試后，器件仍保持92%的初始探測率。該結構設計在PM6:Y6-BO及D18:L8-BO等其他給體-受體體系中同樣驗證了其有效性，展現(xiàn)了良好的普適性。這項工作為可穿戴近紅外傳感器的設計提供了新的思路。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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