基于电子隧穿效应的偏压可切换宽带/窄带响应有机光电倍增探测器研究

本研究针对传统光电探测器功能单一、需外接光学滤光片等问题，开发了基于非富勒烯受体(NFA)Y6的有机光电倍增探测器(PM-OPD)。通过调控偏压(±0.3V至±3.0V)实现窄带(410/900nm)与宽带(300-1000nm)模式切换，在0.3V偏压下获得>100%的外量子效率(EQE)，响应时间达70μs。该技术为面部识别、健康监测等领域提供了集成化解决方案。

　　

在光电探测技术快速发展的今天，传统无机探测器面临着制造成本高、工艺复杂、机械柔性差等固有局限。有机光电探测器(OPD)因其可溶液加工、成本低廉、柔性兼容等优势，在可穿戴设备、生物医学检测等领域展现出巨大潜力。然而现有OPD普遍存在功能单一的问题——要么只能实现宽带检测而缺乏波长选择性，要么仅能响应特定波段而丧失宽谱优势。更令人困扰的是，要实现这两种功能的切换通常需要额外配置光学滤光片和跨阻放大器，这大大增加了系统复杂性和能耗。面对这个"鱼与熊掌不可兼得"的困境，来自国立阳明交通大学的Gajendra Suthar团队另辟蹊径，开发出了基于电子隧穿效应的偏压可切换光电倍增型有机探测器(PM-OPD)。

研究人员采用PBDB-T:Y6(1:5)作为光活性层，通过优化器件结构(ITO/ZnO(40nm)/活性层(850nm)/C₆₀(20nm)/BCP(7nm)/Ag(100nm))，结合光学模拟和电学表征等关键技术方法。特别值得注意的是，研究团队创新性地利用厚活性层(850nm)的光学干涉效应，配合非富勒烯受体Y6的近红外吸收特性，实现了前所未有的双模式切换功能。

研究结果部分，《3. Result and discussion》揭示了多项重要发现：在器件特性方面，850nm厚度的器件展现出最优性能，暗电流密度低至2.22×10^-6 A cm^-2(-1.0V)，而光电流显著提升。光谱响应特性显示，在±0.3V低偏压下，器件呈现双窄带响应(400nm和900nm)，EQE分别达2067%和1376%；当偏压超过±0.5V时，则转变为宽带响应(350-1000nm)。通过光学模拟和电子密度分布分析，研究人员发现这种独特的切换行为源于活性层中光子穿透深度差异导致的干涉效应——在580-850nm波段光子被强烈吸收，而在400-580nm和>900nm波段则能穿透至Ag电极并形成干涉。

在机制阐释部分，《Scheme 1》生动展示了电子隧穿的工作原理：在正偏压下，电子通过7nm厚的BCP层隧穿进入C₆₀的LUMO(最低未占分子轨道)，得益于Ag电极与C₆₀之间较低的能垒；而在负偏压下，ZnO与PBDB-T间较高的注入势垒限制了电流传输。这种不对称的电荷注入机制解释了正偏压下更高光电流的现象。器件性能测试显示，该PM-OPD具有10¹¹ Jones级别的比探测率(D*)和70μs的快速响应，这些指标均处于同类器件领先水平。

这项发表于《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》的研究具有多重重要意义：其一，首次实现了基于非富勒烯受体的偏压可切换PM-OPD，拓展了近红外探测能力；其二，通过简单的偏压调节(最低仅需±0.3V)即可实现工作模式切换，无需外接光学元件，大大简化了系统设计；其三，将光电倍增效应与双波段窄带检测相结合，在保持高灵敏度(EQE>100%)的同时实现了波长选择性。这种"一体多用"的设计理念为下一代智能光电探测系统提供了新思路，在光谱分析、生物传感、光学通信等领域具有广阔应用前景。正如作者在结论部分强调的，这项技术特别适合需要动态调整检测模式的场景，为可穿戴和集成光电子系统的发展提供了重要技术支撑。