DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.01.002
تاريخ النشر: 2024-01-25
المؤلف: Mingqun Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الإلكترونيات العضوية والطاقة الشمسية
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتطوير كاشفات الضوء العضوية الحساسة للأشعة تحت الحمراء قصيرة الطول الموجي (SWIR) باستخدام شبه موصل عضوي من النوع n ذو فجوة طاقة منخفضة للغاية. يقدم المؤلفون إطارًا جزيئيًا فريدًا من المانح-المستقبل-الكينوي-المانح-المستقبل (A-D-Q-D-A)، والذي يقلل بنجاح من الاضطراب الطاقي وكثافة الفخاخ، وهو أمر أساسي للكشف الفعال عن SWIR. تظهر الجزيئة المصنعة، BDP4Cl، بداية امتصاص مثيرة للإعجاب تصل إلى 1,243 نانومتر، متفوقة على كاشفات الضوء العضوية ذاتية الطاقة الحالية تحت فجوة السيليكون، مما يبرز فعالية التصميم الجزيئي المقترح.
في الختام، تساهم البنية الكينوية لـ BDP4Cl في استقراره في الحالة المحايدة وقلته من الاضطراب الطاقي، وهو ما تم تأكيده من خلال تحليلات متنوعة بما في ذلك مطيافية FT-Raman. يحقق الجهاز القائم على BDP4Cl كفاءة كمية خارجية عالية (EQE) تبلغ 18.9% وكشفية (D*) تبلغ $3.81 \times 10^{12}$ جونز عند 1,100 نانومتر، مما يتطابق مع أداء كاشفات الضوء التجارية من السيليكون مع الحفاظ على تيار مظلم مشابه تحت انحياز صفري. لا يثبت هذا العمل فقط أن BDP4Cl هو مرشح رائد لكاشفات الضوء العضوية ذاتية الطاقة في وضع الطاقة الشمسية، بل يمهد أيضًا الطريق للتقدم في تقنيات الكشف عن الضوء المرئي إلى SWIR باستخدام أشباه الموصلات العضوية عند درجة حرارة الغرفة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للكشف عن الضوء في الطيف المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) عبر تطبيقات متنوعة، بما في ذلك الطيف الضوئي، والاتصالات البصرية، والتصوير الحيوي. ومن الجدير بالذكر أن الكشف الحساس في نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الطول الموجي (SWIR) (1,000-2,700 نانومتر) يتم التأكيد عليه بسبب مزاياه في التطبيقات الطبية الحيوية والرؤية ثلاثية الأبعاد (3D)، مثل تحسين النقل عبر الأنسجة البيولوجية، وزيادة الأمان لعيون البشر، وتقليل الضوضاء الخلفية البيئية.
تستخدم تقنيات الكشف عن SWIR الحالية بشكل أساسي أشباه الموصلات غير العضوية أحادية البلورة المزروعة بشكل طبقي مثل الجرمانيوم (Ge) وأرسينيد الغاليوم الإنديوم (InGaAs)، والتي تظهر كفاءة كمية خارجية عالية (EQE) واستجابة (R). ومع ذلك، تواجه هذه الكاشفات غير العضوية تحديات، بما في ذلك ارتفاع تكاليف الإنتاج بسبب متطلبات نمو البلورات الصارمة والحاجة إلى التشغيل في درجات حرارة منخفضة لتقليل التيار المظلم وتحقيق كشفية محددة عالية (D*). بالإضافة إلى ذلك، تعقد تعقيدات تصنيع الأجهزة، التي تتضمن نمذجة على مستوى البيكسل والربط مع دوائر قراءة أشباه الموصلات المعدنية-أكسيد-المكملة (CMOS)، تطوير هذه الكاشفات.
طرق
في قسم الطرق من ورقة البحث، يحدد المؤلفون الإجراءات لعملهم التجريبي، مؤكدين على أهمية توفر الموارد. يحددون أن الاستفسارات المتعلقة بالموارد يجب توجيهها إلى جهة الاتصال الرئيسية، تشونهوي دو، الذي تم توفير بريده الإلكتروني للتواصل الإضافي. يبرز هذا القسم الطبيعة التعاونية للبحث وإمكانية الوصول إلى المواد للتكرار أو الدراسة الإضافية.
نتائج
يحقق البحث في تخليق وتوصيف شبه الموصل العضوي BDP4Cl، الذي يتميز بهيكل A-D-Q-D-A مع نمط كينوي في جوهره. يسلط الدراسة الضوء على عملية التخليق، مما يؤدي إلى BDP4Cl من خلال سلسلة من التفاعلات، بما في ذلك الربط المتقاطع Stille وتفاعل Knoevenagel. إن الاستقرار الحراري لـ BDP4Cl متفوق، مع درجات حرارة تحلل تبلغ 353 درجة مئوية، ويظهر ذروة انصهار عند 319 درجة مئوية، مما يشير إلى تعبئته الجزيئية المنظمة، وهو ما يفيد في تقليل كثافة الفخاخ في كاشفات الضوء العضوية (OPDs). تكشف الخصائص البصرية أن BDP4Cl لديه فجوة طاقة بصرية أقل بكثير (1.00 eV) مقارنة بالجزيء المرجعي DC4Cl (1.33 eV)، مما يُعزى إلى طابعه الكينوي، الذي يعزز تأثيرات نقل الشحنة داخل الجزيء (ICT).
يتم تقييم أداء الكشف عن الضوء لـ BDP4Cl في أجهزة OPD، مما يظهر نطاق استجابة طيفية ممتد من 350 نانومتر إلى 1,300 نانومتر، مع كفاءة كمية خارجية قصوى (EQE) تبلغ 18.9% عند 1,100 نانومتر. ومن الجدير بالذكر أن الجهاز القائم على BDP4Cl يحافظ على كثافة تيار مظلم منخفضة مشابهة لتلك الخاصة بـ DC4Cl، على الرغم من الاختلافات في فجواتها البصرية، مما يشير إلى أن الهيكل الكينوي يثبط بشكل فعال التيار المظلم. تستنتج الدراسة أن BDP4Cl يمثل مرشحًا واعدًا لتطبيقات الكشف عن SWIR ذاتية الطاقة، مما يظهر استجابة ممتازة ونطاق ديناميكي خطي، وهو أمر حاسم للتطبيقات العملية في تقنيات التصوير والاستشعار.
مناقشة
في هذه المناقشة، يتناول المؤلفون التحديات المرتبطة بتحقيق استجابة وكشفية عالية في كاشفات الضوء العضوية (OPDs) لمنطقة الأشعة تحت الحمراء قصيرة الطول الموجي (SWIR)، ويرجع ذلك أساسًا إلى الصعوبة في تصميم أشباه الموصلات العضوية ذات فجوة الطاقة المنخفضة للغاية. يقدمون نهجًا جديدًا من خلال دمج بنية كينوية في إطار جزيئي من المانح-المستقبل-الكينوي-المانح-المستقبل (A-D-Q-D-A)، مما يؤدي إلى تطوير شبه الموصل العضوي من النوع n BDP4Cl. يظهر هذا المادة كفاءة كمية خارجية استثنائية (EQE) تبلغ 18.9% وكشفية تبلغ $3.81 \times 10^{12}$ جونز عند 1,100 نانومتر، متجاوزًا أداء كاشفات الضوء التقليدية من السيليكون ويعتبر أفضل كاشف ضوء ذاتي الطاقة حتى الآن.
يبرز المؤلفون أهمية الهيكل الكينوي في تقليل الاضطراب الطاقي وكثافة الفخاخ، والتي تعتبر حاسمة لتعزيز أداء الجهاز. يناقشون تداعيات نتائجهم على تصميم أشباه الموصلات العضوية، مؤكدين على الإمكانية لـ BDP4Cl في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك قياس النبض الضوئي (PPG) والطيف الضوئي. تشير النتائج إلى أن دمج الوحدات الكينوية يمكن أن يسهل بشكل فعال الكشف الحساس عن الضوء عبر نطاق طيفي واسع، مما يمهد الطريق للتقدم في تكنولوجيا أشباه الموصلات العضوية لتطبيقات درجة حرارة الغرفة في الاستشعار الحيوي والتصوير.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.01.002
Publication Date: 2024-01-25
Author(s): Mingqun Yang et al.
Primary Topic: Organic Electronics and Photovoltaics
Overview
The research presents a novel approach to developing sensitive short-wavelength infrared (SWIR) organic photodetectors (OPDs) using a quinoidal ultralow band-gap n-type organic semiconductor. The authors introduce a unique acceptor-donor-quinoid-donor-acceptor (A-D-Q-D-A) molecular framework, which successfully minimizes energetic disorder and trap density, essential for effective SWIR detection. The synthesized molecule, BDP4Cl, demonstrates an impressive absorption onset of up to 1,243 nm, outperforming existing self-powered OPDs below the silicon band gap, thereby highlighting the efficacy of the proposed molecular design.
In conclusion, the quinoidal structure of BDP4Cl contributes to its stability in the neutral state and its low energetic disorder, confirmed through various analyses including FT-Raman spectroscopy. The device based on BDP4Cl achieves a high external quantum efficiency (EQE) of 18.9% and a detectivity (D*) of $3.81 \times 10^{12}$ Jones at 1,100 nm, matching the performance of commercial silicon photodetectors while maintaining a similar dark current under zero bias. This work not only establishes BDP4Cl as a leading candidate for self-powered OPDs in photovoltaic mode but also paves the way for advancements in visible-to-SWIR broadband photodetection technologies using organic semiconductors at room temperature.
Introduction
The introduction highlights the critical role of photodetection in the visible to near-infrared (NIR) spectrum across various applications, including spectroscopy, optical communications, and bioimaging. Notably, sensitive detection in the short-wavelength infrared (SWIR) range (1,000-2,700 nm) is emphasized due to its advantages in biomedical and three-dimensional (3D) vision applications, such as enhanced transmission through biological tissues, improved safety for human eyes, and reduced environmental background noise.
Current SWIR photodetection technologies primarily utilize epitaxially grown single-crystalline inorganic semiconductors like germanium (Ge) and indium gallium arsenide (InGaAs), which demonstrate high external quantum efficiency (EQE) and responsivity (R). However, these inorganic photodetectors face challenges, including high production costs due to stringent crystal growth requirements and the need for low-temperature operation to minimize dark current and achieve high specific detectivity (D*). Additionally, the complexity of device fabrication, which involves pixel-level patterning and bonding with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) readout circuits, further complicates the development of these photodetectors.
Methods
In the Methods section of the research paper, the authors outline the procedures for their experimental work, emphasizing the importance of resource availability. They specify that inquiries regarding resources should be directed to the lead contact, Chunhui Duan, whose email is provided for further communication. This section underscores the collaborative nature of the research and the accessibility of materials for replication or further study.
Results
The research investigates the synthesis and characterization of the organic semiconductor BDP4Cl, which features an A-D-Q-D-A structure with a quinoidal motif at its core. The study highlights the synthesis process, yielding BDP4Cl through a series of reactions, including Stille cross-coupling and a Knoevenagel reaction. The thermal stability of BDP4Cl is superior, with decomposition temperatures of 353 °C, and it exhibits a melting peak at 319 °C, indicating its ordered molecular packing, which is beneficial for reducing trap density in organic photodetectors (OPDs). The optical properties reveal that BDP4Cl has a significantly lower optical band gap (1.00 eV) compared to the reference molecule DC4Cl (1.33 eV), attributed to its quinoidal character, which enhances intramolecular charge transfer (ICT) effects.
The photodetection performance of BDP4Cl is evaluated in OPD devices, demonstrating an extended spectral response range from 350 nm to 1,300 nm, with a maximum external quantum efficiency (EQE) of 18.9% at 1,100 nm. Notably, the BDP4Cl-based device maintains a low dark current density similar to that of DC4Cl, despite the differences in their optical band gaps, suggesting that the quinoidal structure effectively suppresses dark current. The study concludes that BDP4Cl represents a promising candidate for self-powered SWIR photodetection applications, showcasing excellent responsivity and linear dynamic range, which are critical for practical applications in imaging and sensing technologies.
Discussion
In this discussion, the authors address the challenges associated with achieving high responsivity and detectivity in organic photodetectors (OPDs) for the short-wavelength infrared (SWIR) region, primarily due to the difficulty in designing ultralow band-gap organic semiconductors. They introduce a novel approach by incorporating a quinoidal structure into an acceptor-donor-quinoid-donor-acceptor (A-D-Q-D-A) molecular framework, resulting in the development of the n-type organic semiconductor BDP4Cl. This material demonstrates an exceptional external quantum efficiency (EQE) of 18.9% and a detectivity of $3.81 \times 10^{12}$ Jones at 1,100 nm, surpassing the performance of traditional silicon photodetectors and marking it as the best self-powered OPD to date.
The authors highlight the significance of the quinoidal structure in reducing energetic disorder and trap density, which are critical for enhancing device performance. They discuss the implications of their findings for the design of organic semiconductors, emphasizing the potential for BDP4Cl in various applications, including photoplethysmography (PPG) and spectrometry. The results suggest that the integration of quinoidal units can effectively facilitate sensitive photodetection across a broad spectral range, paving the way for advancements in organic semiconductor technology for room-temperature applications in biosensing and imaging.