En forskargrupp från Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Sydkorea har utvecklat högpresterande organiska fototransistorer (OPT) baserade på enkristallina n-kanals organiska nanotrådar. Forskningen publicerades nyligen i Avancerade funktionella material .
Fototransistorer är transistorer i vilka den infallande ljusintensiteten kan modulera laddningsbärardensiteten i kanalen. Jämfört med konventionella fotodioder, fototransistorer möjliggör enklare kontroll av ljusdetektionskänsligheten utan problem som brusökningen. Dock, hittills, forskningen har mestadels fokuserat på tunnfilms OPT, och OPT i nanoskala har knappt rapporterats.
OPT har många inneboende fördelar jämfört med sina oorganiska motsvarigheter, såsom den kemiska inställningen av optoelektroniska egenskaper genom molekylär design och hög potential till låg kostnad, lättvikt, flexibla applikationer.
Enkristallina nano-/mikrotrådar (NWs/MWs) baserade på organiska halvledare har rönt stort intresse nyligen då de är lovande byggstenar för olika elektroniska och optoelektroniska applikationer. Särskilt, OPTs baserade på enkristallina NWs/MWs kan ge högre ljuskänslighet än deras bulkmotsvarigheter. Dessutom, deras endimensionella, i sig defektfri och mycket ordnad natur kommer att möjliggöra en djupare förståelse av de grundläggande mekanismerna för laddningsgenerering och transport i OPT, samtidigt som det möjliggör en bottom-up-tillverkning av optoelektroniska nanoenheter.
Prof. Joon Hak Oh och Hojeong Yu, arbetar på UNIST, tillsammans med professor Zhenan Bao vid Stanford University, USA, har arbetat med n-kanals enkristallina nanotrådar organiska fototransistorer (NW-OPT) och observerat betydande förbättringar i laddningsbärarmobiliteten hos NW-OPT.
Prof. Oh sa, "Utvecklingen av OPTs baserade på n-kanals enkristallina organiskt halvledande NWs/MWs är mycket önskvärt för nedifrån och upp tillverkning av komplementära metalloxidhalvledare (CMOS)-liknande fotoelektroniska kretsar, vilket ger olika fördelar såsom hög driftstabilitet, enkel kontroll av fotoväxlingsspänningar, hög ljuskänslighet och lyhördhet."
De fotoelektroniska egenskaperna hos de enkristallina NW-OPT:erna, såsom fotoresponsiviteten, fotoväxlingsförhållandet, och den fotokonduktiva vinsten, analyserades från I-V-egenskaperna kopplade med ljusbestrålning och jämfördes med de för vakuumavsatta tunnfilmsanordningar. Den externa kvanteffektiviteten (EQE) undersöktes också för NW-OPT och tunnfilms OPT. Dessutom, de beräknade laddningsackumuleringen och frigöringshastigheten från djupfällor, och undersökte effekterna av infallande ljusintensitet på deras fotoelektroniska egenskaper.
En mobilitetsförbättring observeras när den infallande optiska effekttätheten ökar och ljuskällans våglängd matchar ljusabsorptionsområdet för det fotoaktiva materialet. Fotoväxlingsförhållandet är starkt beroende av den infallande optiska effekttätheten, medan fotoresponsiviteten är mer beroende av att matcha ljuskällans våglängd med det fotoaktiva materialets maximala absorptionsintervall.
NW-OPTs baserade på n-kanals halvledare, N, N'-bis(2-fenyletyl)-perylen-3, 4:9, 10-tetrakarboxylsyradiimid (BPE-PTCDI), uppvisade mycket högre externa kvanteffektivitetsvärden (EQE) (≈7900 gånger större) än tunnfilms OPT, med en maximal EQE på 263 000 %. Detta fenomen berodde på den inneboende defektfria enkristallina naturen hos BPE-PTCDI NW. Dessutom, ett tillvägagångssätt utarbetades för att analysera laddningstransportbeteendet med hjälp av laddningsackumulering/frisättningshastigheter från djupfällor under på/av-omkoppling av externa ljuskällor.
"Vårt tillvägagångssätt för beräkningar av laddningsackumulering/frisättningshastighet kan ge en grundläggande förståelse om variationer i laddningsbärares densitet under ljusbestrålning, vilket senare möjliggör fördjupade studier av OPT, " sade prof. Åh, "Därför är organiska enkristallina NW-OPT ett mycket lovande alternativ till konventionella fotodioder av tunnfilmstyp, och kan effektivt bana väg för miniatyrisering av optoelektroniska enheter."
