光電探測器件的發展要求不斷提高探測精度和深化探測維度。偏振光電探測器件除了能夠探測光的強度和波長，還能夠實現對光偏振方向的響應，可顯著提升成像效果和對物體的探測能力，在地質遙感、軍事探測、機器視覺等方面具有十分重要的應用價值。利用半導體材料本徵結構各向異性來構築偏振探測器件有望解決傳統偏振光電探測系統體積大、結構複雜等方面的問題，在實現器件小型化、整合化等方面具有獨特優勢。
在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支援下，化學研究所有機固體實驗室董煥麗課題組在有機光電材料與器件方面開展了系統的研究工作（Adv. Mater. 2021, 2007149; Adv. Mater. 2021, 2100704; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 14902; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20274; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6332），利用有機高分子半導體晶體，深入認識和揭示了分子堆積結構和效能之間的內在關係，獲得了沿不同分子排列軸向各向異性的光電特性，並構築了高效能光電器件（Adv. Mater. 2020, 32, 1907791; Adv. Mater. 2019, 31, 1903175; Adv. Mater. 2018, 30, 1801048; Nat. Commun. 2015, 6, 100032; Adv. Mater. 2017, 29, 1701251），這些工作為進一步拓展有機光電材料在偏振光電探測器件方面的研究奠定了良好的材料與器件基礎。
圖 DPA晶體在物理性質上的本徵各向異性及其光電器件的偏振響應特性
最近，他們基於前期發展的兼具良好電荷傳輸特性和光學吸收特性的有機半導體，2，6-二苯基蒽（DPA）晶體（Chem. Commun. 2015, 51, 11777; Nature Commun. 2015, 6, 10032），利用其本徵線性二向色性，發展了新型有機偏振光電探測器件。他們以物理氣相傳輸（PVT）法生長得到的DPA單晶為基礎，運用角分辨偏振拉曼光譜技術（ARPRS）、角分辨反射差分顯微鏡技術（ADRDM）、偏振吸收光譜技術（PRAS）等多種物理手段詳細表徵了DPA晶體在分子振動、光學反射、光學吸收上的各向異性。以DPA晶體為核心構築的兩端器件線上性偏振光的照射下表現出獨特的偏振響應特性，器件光電流的二向色性比可達~1.9。密度函數理論（DFT）計算發現，DPA 晶體本徵結構上的各向異性是導致DPA晶體產生偏振響應特性的根本原因。他們發現對於易於形成高度有序結構的有機高分子半導體分子（如具有短側鏈、良好的平面性、強π-π堆積作用）更有利於表現出優異的偏振響應特性，而有機分子的非對稱堆積則為實現偏振響應特性提供了必要條件。
本工作對 DPA 晶體的系統性研究，為利用有機半導體發展新型固態偏振光電探測器件提供了嶄新的思路，併為進一步發展各種新功能的有機光電器件提供了有價值的指導。該研究成果近日發表在Advance Materials (Adv. Mater. 2021, 2105665)上，通訊作者是董煥麗研究員、半導體所魏鐘鳴研究員、天津大學李立強教授和胡文平教授，第一作者是王天禹博士。
來源：化學所
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105665
