太原理工大学石林林教授团队:界面工程改善酞菁类短波红外倍增型有机光电探测器性能(特邀)
- 2026-03-26 17:58:50
本工作通过原子级Al2O3界面层修饰MoO3 HTL，有效地抑制了MoO3薄膜中氧空位的产生，提升了薄膜质量，更有利于改善器件的光电性能
撰稿人：石林林
论文题目：界面工程改善酞菁类短波红外倍增型有机光电探测器性能（特邀）
作者：孙鑫宇，石林林，王雅茹，尚子恒，崔艳霞，冀婷，李国辉
完成单位：太原理工大学 物理与光电工程学院
导读
有机光电探测器(organic photodetectors，OPDs)由于具有柔性、质轻、带隙可调、可大面积制备和生物兼容性好等优点而受到广泛关注。有机光电探测器的性能核心在于载流子传输的高效与稳定。其中，空穴传输层（hole transport layer，HTL）、活性层与各类界面层并非简单的功能层，而是能级匹配的“桥梁”和“闸门”。它们通过调节电极/HTL与活性层之间的能级以及活性层内载流子的产生与传输，有效抑制暗电流，提升光响应特性及响应波长范围，最终改善OPDs的综合性能。因此，HTL与界面层的合理选择及它们对OPDs性能调控机制的探索，将推动OPDs朝着更低的暗电流、更宽的光谱响应以及更高的环境稳定性方向迈进，为成像、生物传感和健康监测等领域带来新的突破。
研究背景
根据OPDs的工作机制可将OPDs分为光电二极管型和光电倍增型两种。其中，光电倍增型有机光电探测器(photomultiplication organic photodetectors，PM-OPDs)无需额外的电流放大系统即可实现超过100％的外量子效率(external quantum efficiency, EQE)，在弱光信号检测中展现出巨大的潜力。与在高电场下通过热载流子碰撞电离工作的雪崩二极管不同，PM-OPDs主要通过引入界面电荷势垒层或构造体陷阱来诱导外电路中电荷隧穿注入，从而实现更大的增益。因此，开发高性能PM-OPDs具有重要的研究价值和意义。
PM-OPD在光照下实现外电路中电荷隧穿注入的过程中，势垒的存在起着至关重要的作用。在以PEDOT:PSS为HTL的PM-OPD中，由于PEDOT:PSS与阳极ITO接近的能级，使得靠近阳极一侧形成欧姆接触，只有阴极一侧形成肖特基势垒。此器件只能在反向偏压下响应，且单肖特基势垒无法有效阻碍暗态下外电路中电荷的注入，造成器件暗电流过高。作者发现在以聚合物体异质结为活性层的PM-OPDs中，引入原子级厚度的Al2O3界面层，通过与PEDOT:PSS之间的原子级界面化学反应，调控PEDOT:PSS的能级，在阳极一侧形成肖特基势垒，双肖特基结的协同不仅可以有效降低PM-OPD的暗电流，同时器件实现了在正反双向偏压下的响应 (Science Bulletin, 2023, 68(9):928 937，Advanced Optical Materials, 2023, 11(12): 2203132，Journals of Materials Chemistry C, 2024, 12(29), 10879-10888)。但是，水溶液加工的PEDOT:PSS其“水性体系与PSS磺酸强酸性”不可避免地会与有机活性层发生不利的界面化学反应，引入大量界面缺陷与漏电流，导致器件暗电流高、稳定性与灵敏度受限。
为规避酸/水导致PM-OPD的退化问题，寻找新的HTL代替PEDOT:PSS是解决途径之一。作者采用空穴传输性能较好的酞菁类有机小分子材料酞菁锌(ZnPc)作为HTL，在以有机小分子体异质结的PM-OPDs中，同样在ITO阳极与ZnPc之间引入超薄Al2O3界面修饰层，以“隔离/钝化”为核心，抑制ITO与ZnPc的直接接触及由此引发的界面化学反应和缺陷生成，从而在不显著牺牲有效载流子传输的前提下降低暗电流、提升亮暗比与弱光检测能力。同时结合体异质结活性层中给受体之间的分子间电荷转移效应实现了此器件在短波红外(short-wave infrared，SWIR)波段光谱响应的拓展。(《发光学报》, 2025, 46(10):1930-1939)
主要内容/技术亮点
本文进一步在以酞菁类有机小分子材料酞菁铅(PbPc)作为HTL的基础上，选取空穴传输性能优异的金属氧化物三氧化钼(MoO3) 作为HTL，酞菁铅(PbPc)与富勒烯C60的混合物作为活性层，制备了可短波红外响应的PM-OPDs。但MoO3 HTL也并非“零代价”，其界面不稳定性（如氧迁移、钼空位/氧空位等缺陷）会引入陷阱态与非理想复合，进而带来器件性能衰减。在前期研究的基础上，作者试图通过引入Al2O3界面修饰层，对MoO3 HTL的薄膜形貌进行改进。本文首先探究了Al2O3界面修饰层位置对器件性能的影响。通过对比发现，当HTL为MoO3且在MoO3后插入Al2O3时，器件在反向偏压下具有最优的亮-暗电流密度比。接着，本文进一步对Al2O3界面修饰层厚度进行优化，结果表明，随着Al2O3厚度的增加，器件的亮-暗电流密度比先增大后减小，当Al2O3厚度为1.2 nm时，器件的亮-暗电流密度比最大。通过原子力显微镜(AFM)对MoO3和MoO3/Al2O3薄膜的形貌进行了表征，得到加入1.2 nm Al2O3界面修饰层后，MoO3薄膜的粗糙度明显降低。这表明Al2O3界面修饰层的引入，有效地抑制了MoO3薄膜中金属和氧空位的产生，提升了薄膜质量，更有利于改善器件的光电性能。
图1 器件中HTL与界面层的优化及HTL形貌图
此外，HTL厚度也会对器件中空穴的传输特性带来影响。本工作继续对HTL的厚度进行优化，最终获得最优HTL厚度为6 nm。最后，本工作对MoO3和Al2O3厚度分别为6 nm和1.2 nm最优器件在氙灯作光源、不同偏压、不同波长光照下的EQE和(responsivity，R)曲线进行了测试。结果表明，随着外加电压的增加，器件的EQE和R也随之增强，说明外加电压增强了载流子的注入与传输，强电场作用下，可降低载流子复合概率，提高外电路中载流子的注入效率。最终，器件在–10 V偏压、850 nm波长处的EQE和R分别达到4.2×104%、275.3 A/W。基于噪声电流得到，在–10 V偏压、850 nm波长处，最优器件的探测率(detectivity，D*)为9.96×1013 Jones。器件在不同波长光照射下的电流密度-电压及瞬态响应曲线表明，最优器件在紫外-可见-短波红外波长光照射下，均有稳定的光响应特性，最长可探测短波红外1310 nm波长的入射光。
图2 最优器件的电学性能
研究前景与展望
本文在三明治结构的SWIR PM-OPDs中，通过引入HTL，并在HTL不同位置插入Al2O3界面层，器件的亮-暗电流密度比有了很大改善。在此基础上进一步优化HTL和Al2O3界面层厚度，发现当MoO3 HTL、Al2O3界面修饰层厚度分别为6 nm和1.2 nm时，器件具有最优的亮-暗电流密度比。通过AFM图像测试，证明了Al2O3界面修饰层可有效提升HTL薄膜质量，使器件暗电流密度降低至1.5×10-6 A/cm²。器件在850 nm、−10 V偏压下，最优EQE，R和D*分别为4.2×104 %，275.3 A/W，9.96×1013 Jones。此外，器件在不同波长下的J-V和瞬态响应曲线，进一步表明，以PbPc:C60 为体异质结活性层器件，在短波红外1310 nm波长下，均有稳定的光响应特性。这为高性能宽谱响应的PM-OPDs开发提供了有效方案。
作者介绍
石林林
石林林，女，1992年生，博士，太原理工大学物理与光电工程学院教授，博士生导师。主要从事新型微纳光电探测器及其应用方面的研究。2021年博士毕业于太原理工大学，获工学博士学位。中国仪器仪表学会、中国光学工程学会会员，中国光学工程学会先进传感器专业委员会委员。担任Exploration期刊学术编辑兼青年编委，《发光学报》期刊青年编辑委员会委员，《红外与激光工程》、Instrumentation等期刊青年编委。在Advanced Materials、Laser & Photonics Reviews、Science Bulletin、Advanced Functional Materials、Photonics Research、Advanced Optical Materials等国际知名期刊发表论文40余篇，申请/授权中国及美国发明专利10项(其中1项已转化)。获评“Wiley威立中国高贡献作者奖”、Exploration期刊“学术贡献二等奖”与“优秀青年编委”、《发光学报》青年创新促进会“十大杰出会员”。主持并以科研骨干参与国家及省部级项目10余项。电子邮箱：shilinlinsll@163.com
李国辉
李国辉，男，1984年生，博士，教授，博士生导师。2011年毕业于华东师范大学，获理学博士学位。长期从事微纳光电子学与光电器件研究，主要研究方向包括表面等离激元纳米光子学、宽谱高灵敏度光电探测器（有机/钙钛矿/低维材料）及微纳激光器等。在 Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Science Bulletin等国际权威期刊发表SCI论文60余篇。主持国家自然科学基金、省部级重点研发计划等科研项目10余项；授权国家发明专利30余项，出版学术专著1部。现任《发光学报》青年编委、中国光学学会高级会员。曾获“三晋英才”等荣誉称号。 电子邮箱：liguohui@tyut.edu.cn
文章信息
孙鑫宇, 石林林, 王雅茹, 等. 界面工程改善酞菁类短波红外倍增型有机光电探测器性能（特邀）[J]．红外与激光工程, 2026, 55(2): 20260016.
全文链接：
http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20260016（阅读原文）
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多媒体编辑：陈彤
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