Høj ydeevne, organiske nanotråd fototransistorer åbner vejen for optoelektronisk enhedsminiaturisering

Et forskerhold fra Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Sydkorea har udviklet højtydende organiske fototransistorer (OPT'er) baseret på enkeltkrystallinske n-kanal organiske nanotråde. Forskningen blev offentliggjort for nylig i Avancerede funktionelle materialer .

Fototransistorer er transistorer, hvor den indfaldende lysintensitet kan modulere ladningsbærerens tæthed i kanalen. Sammenlignet med konventionelle fotodioder, fototransistorer muliggør lettere kontrol af lysdetektionsfølsomhed uden problemer såsom støjstigningen. Imidlertid, til dato, forskningen har for det meste fokuseret på tyndfilm OPT'er, og OPT'er i nanoskala er næppe blevet rapporteret.

OPT'er har mange iboende fordele i forhold til deres uorganiske modstykker, såsom den kemiske afstemning af optoelektroniske egenskaber ved molekylært design og højt potentiale til lave omkostninger, letvægts, fleksible applikationer.

Enkeltkrystallinske nano-/mikrotråde (NWs/MWs) baseret på organiske halvledere har tiltrukket sig stor interesse for nylig, da de er lovende byggesten til forskellige elektroniske og optoelektroniske applikationer. I særdeleshed, OPT'er baseret på enkeltkrystallinske NW'er/MW'er kan give højere lysfølsomhed end deres bulk-modstykker. Ud over, deres endimensionelle, iboende fejlfri og højt ordnet natur vil tillade en dybere forståelse af de grundlæggende mekanismer for ladningsgenerering og -transport i OPT'er, samtidig med at det muliggør en bottom-up fremstilling af optoelektroniske nanoenheder.

Prof. Joon Hak Oh og Hojeong Yu, arbejder hos UNIST, sammen med prof. Zhenan Bao ved Stanford University, USA, har arbejdet på n-kanal enkeltkrystallinske nanotråds organiske fototransistorer (NW-OPT'er) og observeret betydelig forbedring i ladningsbærermobiliteten af ​​NW-OPT'er.

Prof. Oh sagde, "Udviklingen af ​​OPT'er baseret på n-kanal enkeltkrystallinske organiske halvledende NW'er/MW'er er yderst ønskværdig til bottom-up fremstilling af komplementære metaloxidhalvleder (CMOS)-lignende fotoelektroniske kredsløb, som giver forskellige fordele såsom høj driftsstabilitet, nem kontrol af fotoswitch-spændinger, høj lysfølsomhed og reaktionsevne."

De fotoelektroniske karakteristika af de enkeltkrystallinske NW-OPT'er, såsom fotoresponsiviteten, foto-skifteforholdet, og den fotokonduktive gevinst, blev analyseret ud fra I-V-karakteristika kombineret med lysbestråling og sammenlignet med dem for vakuumaflejrede tyndfilmsanordninger. De eksterne kvanteeffektiviteter (EQE'er) blev også undersøgt for NW-OPT'erne og tyndfilm-OPT'erne. Ud over, de beregnede ladningsakkumulering og frigivelseshastigheder fra dybe fælder, og undersøgte virkningerne af indfaldende lysintensitet på deres fotoelektroniske egenskaber.

En mobilitetsforøgelse observeres, når den indfaldende optiske effekttæthed stiger, og lyskildens bølgelængde passer til lysabsorptionsområdet for det fotoaktive materiale. Fotoswitch-forholdet er stærkt afhængig af den indfaldende optiske effekttæthed, hvorimod fotoresponsiviteten er mere afhængig af at matche lyskildens bølgelængde med det maksimale absorptionsområde for det fotoaktive materiale.

NW-OPT'er baseret på n-kanals halvleder, N, N′-bis(2-phenylethyl)-perylen-3, 4:9, 10-tetracarboxylsyrediimid (BPE-PTCDI), udviste meget højere ekstern kvanteeffektivitet (EQE) værdier (≈7900 gange større) end tyndfilm OPT'er, med en maksimal EQE på 263 000 %. Dette fænomen skyldes den iboende defektfri enkeltkrystallinske natur af BPE-PTCDI NW'erne. Ud over, en tilgang blev udtænkt til at analysere ladningstransportadfærden ved hjælp af ladningsakkumulering/frigivelseshastigheder fra dybe fælder under tænd/sluk-slukning af eksterne lyskilder.

"Vores tilgang til beregninger af ladningsakkumulering/frigivelseshastigheder kunne give en grundlæggende forståelse af variationer i ladningsbærerdensitet under lysbestråling, som efterfølgende muliggør en dybdegående undersøgelse af OPT'er, " sagde Prof. Åh, "Derfor er organiske enkeltkrystallinske NW-OPT'er et meget lovende alternativ til konventionelle tyndfilm-type fotodioder, og kan effektivt bane vejen for optoelektronisk enhedsminiaturisering."