论文部分内容阅读
有机小分子半导体单晶材料具有较高的载流子迁移率和较长的激子扩散长度,有利于器件对光生电荷的提取效率,因此有望实现高性能的光电探测器。然而,目前基于有机单晶光电探测器工作机制还不够清晰,性能较低,且较少在集成器件中应用。本文以有机单晶光电探测器为研究对象,在详细考察器件工作机制的基础上,拓展其在人工视觉感知系统与波长检测等集成器件中的应用。一、有机小分子半导体单晶持久光电导机理的研究及实现高性能光电晶体管基于有机小分子Dif-TES-ADT单晶材料光电晶体管的性能研究,界面羟基和环境氛围（大气,真空,氮气和氧气）测试结果显示:器件在半导体/绝缘层界面具有羟基和存在氧气情况下会导致持久光电导（Persistent photoconductivity,PPC）现象,即光照之后器件依然保持长久高电导性;然而在没有界面羟基的器件,和在真空、氮气的无氧环境中,光照后器件电导性快速衰减。多场耦合扫描开尔文探针显微镜测试发现,光照后10 min,材料表面电势下降635 m V,证实光生电子被材料层捕获。并且研究PPC的影响因素,实现对PPC的可控性。通过对不同分子结构有机小分子半导体PPC性质的研究,发现具有π共轭体系的p型有机半导体会发生光激发氧作用电荷转移,形成O2-离子,产生PPC现象。最后通过利用PPC中的电荷累积机理制备高性能光电晶体管,器件获得108 A W-1的光响应度,109的光电导增益和1018 Jones的比探测率,这些值是目前有机光电探测器领域的最大值。我们的工作为高性能有机光电晶体管的研究提供可靠的理论参考。二、有机单晶光突触器件在视觉感知系统中的应用我们使用三乙基甲硅烷乙炔基取代双噻吩蒽类化合物Dif-TES-ADT,通过溶液刮涂法制备单晶阵列光突触器件。器件响应光谱覆盖紫外-可见（250-650 nm）区域,最大响应度可达12000 A W-1,可媲美目前有机光电探测器的高水平。同时该器件具有持久光存储能力,光照后器件仍可保持在10μA的高电流状态并持续104 s以上。光突触器件可实现具有最高240%双脉冲异化指数的短期可塑性模拟;高达106%权重比的长期可塑性模拟;和良好对称性响应趋势的刺激时间依赖可塑性模拟。并且,我们将光突触器件阵列化集成制备成包含10×10光突触器件像素点的人工图像感知传感器,实现图案识别和记忆功能。我们的工作第一次展示了有机小分子半导体在人工视觉感知系统领域的应用,提供了有机光电器件在人工智能应用的一个新机会,如可为视觉障碍者植入生物医疗设备。三、基于有机无机杂化单晶纳米线阵列的高性能光电探测器及其在光波长检测中的应用我们发展一种“简易的流体诱导抗溶剂蒸汽辅助结晶”的方法制备大面积MAPb(I1-xBrx)3（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4）单晶纳米线阵列。依靠缓慢的结晶过程和隔绝水分的生长环境,实现了高质量单晶纳米线阵列的制备。基于单晶纳米线阵列的光电探测器展现出优益的光电性能:超宽的工作带宽大于0.8 MHz,超低弱光探测能力比探测率高达1.73×1011 Jones和宽的线性动态探测范围（150 d B）,值得注意的是,该器件的光响应度高达12500 A W-1为目前所有有机无机杂化纳米线光电探测器中的最高值。通过改变MAPb(I1-xBrx)3纳米线中卤素成分比例（x=0-0.4）可以对其光谱响应范围进行调节。基于此特性,进一步将基于不同组分的MAPb(I1-xBrx)3纳米线阵列光电探测器集成在同一基底上可以实现对680-780 nm光波长的检测。该工作为实现高性能有机无机杂化单晶材料在集成化光电器件中的应用开辟了一条新的道路。