复旦大学，Nature Nanotechnology！
米测MeLab
2024-07-22
高性能的大规模有机光电晶体管需要具有光电转换能力的半导体层以及高分辨率，但是目前人们缺乏精确设计纳米结构的方法，而且需要在光电性能与器件微型化之间进行平衡，这极大限制了商业化。有鉴于此，复旦大学魏大程等报道光伏纳米电池增强策略，这种策略能够克服光电性能与器件微型化之间的矛盾，得到了大规模集成规模的高性能有机光电晶体管。这种纳米电池具有零维核壳结构，因此能够在界面形成内建电场使激子发生分裂，从而驱动光生电荷分别向内/向外移动。在光化学充电作用时，核能够储存一种电荷，同时核-壳形成的内建电场能够避免电荷逃逸。这种光伏纳米电池能够起到纳米光电调节器的作用。纳米电池的核结构是量子点，壳结构是p型半导体MA-PTDPPTFT4，当暴露于紫外光条件能够发生聚合物交联，形成内部嵌有量子点的网络。随后将含有量子点的纳米电池加入到有机晶体管（OPT）的活性层内。传统的OPT主要基于光导电效应，这种效应面临着光电转化效率较低的难题。光电流的数值首先于光生激子的数量，而且传统OPT难以很好的分离电荷，存在着屏蔽效应。修饰PQD量子点的纳米电池能够作为光敏化剂以及电流调控器的双重作用，通过PDQ量子点具有的优异的光吸收性能和光电转化能力，PQD/MA-PTDPPTFT4界面表现高效率的光转导。 将钙钛矿量子点构成的核壳结构光伏纳米电池安装在光化学交联的有机半导体中，并使用光刻技术制备大规模集成（>221个单元）成像芯片。将PQD量子点纳米电池与有机成像芯片组装进行大规模化集成，其中将PDQ纳米电池嵌入PTDPPTFT4和POSS和添加剂（光引发剂和反应稳定剂）后进行交联，随后旋涂和暴露385 nm光照射进行光刻。PDQ能改善POSC的光刻性能，从而能够进行高分辨率光刻。对比度结果显示交联反应所需的光计量降低58 %，这有助于提高效率。在许多基底上可以进行光刻，包括Si/SiO2、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）、PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）。荧光成像表征显示PQD能够在形成的图案内均匀分布，能够打印尺寸在10 μm至0.6 μm的图案，具有均一的高度和宽度，平均误差仅为1.7 %。
构筑超大规模成像芯片
单独的每个器件的源电流（Id）-门电流（Vg）曲线显示器件具有p型半导体特点。随着光照射强度增加，光电流（Iph）和阈值电压偏移（ΔVth）能够进一步增加。在光照射的强度仅为0.588 μm cm-2，仍具有非常明显的ΔVth。PQD纳米电池-POSC构筑的有机晶体管具有的ΔVth比目前报道最好的性能更好，说明PQD具有优异的调控作用。Id/Id,0的数值达到3.1×104，达到不加入PQD的纯PTDPPTFT4的4×103倍。而且因为图案化处理能够降低电流泄露，使得关闭态的电流达到10-12 A，图案化的PQD-POSC比未经过图案化处理的Id/Id,0强度高10倍。 安装在有机光电晶体管内的光伏纳米电池能够进行原位的光调制，光响应性能达到6.8×106 A W-1，探测率达到1.1×1013 Jones (1 Hz)。这个数值是目前大规模有机成像芯片的最高纪录。这个体系得到2700万的像素，像素的密度达到3.1×106 unit cm-2，这个数值比目前有机成像芯片高两个数量级，性能达到了最新的金属-氧化物-半导体相机芯片的水平。PQD纳米电池-POSC满足长期存储的需求。在空气气氛和室温、50 ℃、70 ℃存储30天，或者浸泡在显影剂内10 h后，性能仍得以保持。稳定的聚集结构、光学特性和噪声密度说明器件具有长期稳定性，达到实际应用的需求。这种成像芯片比Si成像芯片的性能高4个数量级（R值达到6.8×106 A W-1，D*达到1013 Jones）。大规模集成器件的分布均匀，在2 μm内分布4500×6000个芯片后的R达到6.8×106 A W-1，在SiO2/Si基底上构筑相同的大规模集成器件R仅为6.2×106 A W-1。测试结果显示其中的器件能够正常工作，R的变化系数处于5.5 %，SiO2/Si的R变化系数5.7 %。
人工视网膜应用
基于光伏纳米电池构筑的大面积集成的柔性可伸缩仿生视网膜（biomimetic retina），能够用于神经形态识别，具有高分辨率以及接近生物体的光响应能力和功耗。钙钛矿量子点能够构筑仿生视网膜，有可能应用于机器人、假眼、环境检测等场景。具有低功耗、柔性、可重复使用的优势，而且在通过实验验证了高分辨率成像功能。通过这种光伏纳米电池增强技术构筑人工视网膜，重现了视网膜的各种功能，而且具有生物组织的柔性和拉伸性，接近人类视网膜的机械性、像素密度、传感性能、功耗，成为一种具有前景的仿生视网膜。Zhang, S., Chen, R., Kong, D. et al. Photovoltaic nanocells for high-performance large-scale-integrated organic phototransistors. Nat. Nanotechnol. (2024).DOI: 10.1038/s41565-024-01707-0https://www.nature.com/articles/s41565-024-01707-0
