【材料】超薄类视网膜有机传感器件

X一MOL资讯2021-02-22 09:21:16

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人视网膜中的视锥细胞光感受器吸收并区分不同波段的光子,从而感知多彩的画面,因此模拟人视网膜的功能、构筑出具有颜色区别功能的智能化光传感器对人工智能和仿生电子学尤为重要。利用吸收峰在不同波段的有机共轭材料,材料学家已实现了可见波段分别对红、绿、蓝敏感的光传感器。然而考虑到人眼在近红外区的低敏感度和近红外光在夜间安防、医学成像和仿生视觉系统中的巨大价值,制备出对近红外光高选择性、抗可见光干扰的光传感器至关重要。


当下的有机近红外光探测器受制于大部分窄带隙材料在可见光区(380-760纳米)的强吸收和近红外区较低的光电转换效率,对近红外光的选择性低于可见光区,因此需要滤光片排除可见光的干扰。该方法会增加器件的厚度,降低可穿戴性,限制了超薄膜、类视网膜型近红外光传感器的发展。针对这一问题,中国科学院化学研究所刘云圻院士团队的研究人员基于四种有机染料衍生物半导体,成功构筑了一款免滤光片、高度选择性地将近红外光转换为非挥发电导记忆行为的超薄光传感器。该器件可在62分贝的动态范围内将850纳米的近红外光转换成非挥发记忆电导信号,在86分贝的动态范围内将550纳米的绿光转换成动态光开关信号。该体系实现了对近红外光信号的选择性记忆,类似视网膜的波段选择性。


器件由分压器型宽波段感光元件和双极性沟道的浮栅晶体管组成,工作原理如下:宽波段响应的酞菁氧矾/苝酰亚胺异质结不同于传统的有机异质结,可在850纳米波长的光照下表现出比绿光(550纳米)更高的电导;将该异质结和对近红外光高透明的苝酰亚胺薄膜串联后,形成可将近红外光转换成电压信号的分压器。浮栅晶体管存储器在足够大的栅电压信号的作用下,触发“记忆”行为,从而将近红外光“记住”,该功能模仿了人视觉系统的感光-记忆能力。值得一提的是,研究人员创新性地采用双极性(电子和空穴)传输的聚(异靛蓝-噻吩并噻吩)作为浮栅存储器沟道,这一改进使浮栅存储器在绿光照射下(电压信号不足以触发“记忆”行为)可将光脉冲转换成动态的光开关行为,光照终止后浮栅存储器的电导可恢复至高阻态。该创新使有机光传感器在不同波段的入射光下利用不同通道读出信号,从而实现近红外光和绿光的识别能力。


得益于半导体的选材和传感器电路的设计,该有机近红外光传感器在无滤光片下具备抗可见干扰能力,最高可在光强12毫瓦每平方厘米的绿光下不触发浮栅晶体管的记忆功能。研究人员利用水浮法将超薄(近800纳米)光传感器电路从玻璃衬底上转移下来,贴合在玩具狗眼球表面测试,初步展示了其作为类视网膜器件的潜力。


这一成果近期发表在Advanced Materials 上,文章的第一作者是中国科学院化学研究所的王翰林刘洪涛赵强郭云龙研究员、胡文平研究员和刘云圻院士为该论文的通讯作者。


该论文作者为:Hanlin Wang, Hongtao Liu, Qiang Zhao, Zhenjie Ni, Ye Zou, Jie Yang, Lifeng Wang, Yanqiu Sun, Yunlong Guo, Wenping Hu and Yunqi Liu

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

A Retina-Like Dual Band Organic Photosensor Array for Filter-Free Near-Infrared-to-Memory Operations

Adv. Mater., 2017, 29, 1701772, DOI: 10.1002/adma.201701772


导师介绍

刘云圻

http://www.x-mol.com/university/faculty/15488


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