共轭大环分子变身有机光电探测器

有机半导体材料在制备轻质柔性光电探测器方面有着巨大的潜力。然而大部分有机半导体具有较高的固有自由载流子浓度，有机光电探测器通常有着较高的暗电流，从而限制了其灵敏度。为了减小暗电流并提高检测灵敏度，当前采用的技术和工艺有：加入载流子阻挡层，调控吸光层中电子给体和受体的垂直相分离，增加吸光层厚度等等。到目前为止，如何通过有机材料的设计和合成去降低固有载流子的浓度，研究者们对此知之甚少。

最近，哥伦比亚大学Colin Nuckolls教授（点击查看介绍）和Xiaoyang Zhu教授（点击查看介绍）课题组共同设计和研发了一种新的刚性、共轭大环分子作为电子受体，使得光电探测器件可同时得到高光电流和低暗电流，从而实现了其高光检测灵敏度。这种共轭大环分子是一个基于苝二酰亚胺（perylene diimide）的四聚体，作为一种新的n型半导体材料，它可以作为电子受体取代有机光电探测器中的富勒烯衍生物。基于这种共轭大环分子的光电探测器在接近零偏置电压时可以拥有接近10¹⁴Jones的检测灵敏度。值得注意的是，这种器件不需要任何额外的载流子阻挡层，就能媲美最灵敏的富勒烯基光电探测器，且在低工作电压（<0.1V）下的灵敏度打破了非富勒烯有机光电探测器中的最高记录。该成果最近发表于美国化学会期刊Journal of the American Chemical Society。

这种共轭大环分子之所以优于其他电子受体是因为它具有较小的固有载流子浓度。有机半导体中固有载流子的生成有着多种原因。对于富勒烯及其衍生物（如PC₇₁BM）而言，它们在受光或热激发后容易产生自由基，生成自由电子。所以在相同条件下，富勒烯基探测器的暗电流比苝二酰亚胺基探测器要高一个数量级。另外，大环分子具有的独特环状结构也使得它优于其对应的线性高分子。对于有机高分子材料，高分子链的不规则折叠也会产生一些带有局域电荷的缺陷。这种共轭环状结构使得分子本身具有相对稳定的分子构型，不容易变形而产生带电缺陷，因而在保证电子迁移率的同时，能进一步降低暗电流。该成果首次将共轭大环分子应用到了有机光电探测器领域，也为有机光电材料的设计提供了新思路。

文章的第一作者是哥伦比亚大学博士研究生张僰媛，通讯作者为 Xiaoyang Zhu教授、Colin Nuckolls教授及Nuckolls课题组钟宇博士。

该论文作者为：Boyuan Zhang, M. Tuan Trinh, Brandon Fowler, Melissa Ball, Qizhi Xu, Fay Ng, Michael L. Steigerwald, X.-Y. Zhu , Colin Nuckolls , and Yu Zhong

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Rigid Conjugated Macrocycles for High Performance Organic Photodetectors

J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 16426-16431, DOI: 10.1021/jacs.6b10276

导师介绍

Colin Nuckolls

http://www.x-mol.com/university/faculty/1409

课题组主页

http://nuckolls.chem.columbia.edu/

Xiaoyang Zhu

http://www.x-mol.com/university/faculty/1420

课题组主页

http://www.columbia.edu/cu/chemistry/groups/zhu/index.html

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