Nat. Commun. | 基于各向异性电荷捕获效应的超高偏振灵敏度有机光电晶体管及其仿生偏振导航应用

发布时间:2022-11-25访问量:379设置

偏振光探测器能够提取光的振幅和频率以外的偏振态信息,能够极大地拓展光信号的可探测维度,在偏振成像、生物分析、环境监测、导航传感等领域都有着重要的应用前景。传统的线性偏振光探测器依赖于体积大且复杂的光学系统,通常需要将偏振不敏感的光电二极管和偏振片结合起来实现偏振光探测。此外,使用高消光比的偏振片会大大降低光学透过率和成像灵敏度。与之相比,本征各向异性的半导体材料(如一维纳米线和纳米管、二维层状材料、钙钛矿微纳晶体等)集光电探测和偏振响应为一体,是新一代微型化片上集成式偏振光探测器的理想材料。然而,受限于这些材料较低的本征各向异性,大部分报道的线性偏振光探测器仅有很低的偏振灵敏度,其二向色比(即在不同偏振态下最大和最小光电流的比值)通常小于10,无法满足实际应用的需求。虽然最近一些研究通过使用复合器件结构如构筑异质结、引入铁电材料或连接外部放大电路实现了较高的二向色比(~102),但迄今为止,仍然缺少一个通用且有效的策略来实现单组分光电探测器的偏振灵敏度放大,这在根本上限制了新型偏振光探测器的简化和片上集成。

针对上述的瓶颈问题,近日苏州大学功能纳米与软物质研究院张晓宏教授、揭建胜教授和张秀娟教授团队创新性地提出了一种各向异性光电流放大策略来突破半导体材料的本征各向异性限制,在有机光电晶体管中实现了超过2000倍的偏振灵敏度增强。该方法结合了有机单晶的各向异性光吸收特性和光电晶体管高增益的优点,利用栅极绝缘层/有机单晶界面天然存在的悬挂基团实现了各向异性的光生载流子捕获,诱导产生偏振依赖的垂直电场来调控光电晶体管内的空穴传输,从而实现了各向异性的光电流放大。基于此,在C8-BTBT单晶阵列构筑的光电晶体管中实现了创纪录的极高二向色比(>104),甚至超过了部分商用偏振片的消光比。进一步,该工作借鉴了自然界中沙蚁的紫外偏振导航行为,利用C8-BTBT单晶独特的紫外响应特性,首次在复杂的户外环境中验证了一种微型化的新型仿生偏振导航设备,在不同天气条件下均能真实反映天顶散射光的偏振方向,进而能够导航出太阳子午线的方位。该工作提出了一个高效、低成本的思路,适用于不同的半导体材料体系,并有望进一步拓展到圆偏振光等的探测中,从而为实现超高偏振灵敏度的微型化光电子器件开辟了新道路。相关成果发表于《Nature Communications》(Nat. Commun. 2022, 13, 6629)。我院博士研究生潘京和新加坡科技研究局(A*STAR)的吴艺明博士为文章共同第一作者。


文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-34421-3

文章题目:Anisotropic charge trapping in phototransistors unlocks ultrasensitive polarimetry for bionic navigation

作者信息:Jing Pan#, Yiming Wu#, Xiujuan Zhang*, Jinhui Chen, Jinwen Wang, Shuiling Cheng, Xiaofeng Wu, Xiaohong Zhang* & Jiansheng Jie*

项目资助:This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52225303 and 51973147 to J.J., 51821002 and 91833303 to Xiao.H.Z., and 52173178 to Xiu.J.Z.), Suzhou Science and Technology Plan Forward-Looking Project (Grant No. SYG202023 to Xiu.J.Z.), the Postdoctoral Research Foundation of China (Grant No. 2020M681705 to J.W.), Suzhou Key Laboratory of Functional Nano & Soft Materials, Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science & Technology, the 111 Project, and Joint International Research Laboratory of Carbon-Based Functional Materials and Devices. Y.W. acknowledges the funding support (Career Development Fund No. C222812011) from the Agency for Science, Technology, and Research (A*STAR).

 

责任编辑:郭佳


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