用于无线光通信系统的高响应速度柔性近红外有机光电探测器

高速无线光通信具有高带宽、低干扰、安全性高、抗干扰能力强以及节能环保等诸多优势，有望成为未来解决数据传输速度与容量瓶颈的有效途径之一，尤其是在物联网、自动驾驶、消费电子、大数据、无人作战等领域。光电探测器作为无线光通信系统的核心器件，其响应速度与灵敏度对数据传输速度和质量至关重要，同时需要其具有较大的面积，实现对不同方向光的接收。无机光电探测器虽然具有优异的响应速度，但其刚性结构、小面积、高工作偏置电压限制了其在低能耗、微型化及柔性可穿戴电子领域的应用。因此，亟需发展新型高性能、大面积、柔性光电探测器，以实现高速与高质量光信号传输。有机光电探测器具有柔性、可溶液加工、大面积制备、光谱可调等优势，在无线光通信领域具有较大的应用前景。然而，有机光电探测器在溶液法制备过程中，由于溶剂的快速挥发，导致活性层中产生大量的陷阱态及无序结构，导致器件具有较低的载流子迁移率，在宏观上表现出较慢的响应速度和较低的灵敏度。

为解决上述问题，南开大学李光辉副研究员&陈永胜教授从分子设计层面出发，通过对Y6分子中心单元与末端单元进行二维共轭扩展（CH17），增强中心单元在分子堆积中的参与度，加强分子间的堆积，有效降低活性层的陷阱态密度、能量无序度和寄生电容，同时提高了活性层的载流子迁移率。基于PM6:CH17活性层的有机光电探测器在自驱动模式下，响应时间达到了168 ns，超越大多数无机硅光电探测器的响应速度（326 ns）。通过减小器件尺寸，有机光电探测器的响应时间达到了91 ns。作者同时深入研究并探讨了限制有机光电探测器响应时间的关键因素，揭示了器件的寄生电容、载流子迁移率及负载电阻是影响有机光电探测器响应速度的机制。

图1. CH17分子结构及基于PM6:CH17有机光电探测器和硅基光电探测器的响应速度性能

图2. 基于PM6:CH17有机光电探测器的电学表征

图3. 基于柔性有机光电探测器的光通信传输速率及在汽车间发高速光通信在此基础上，作者构筑了轻质、柔性高速响应有机光电探测器，可贴附在曲面衬底上，实现高速光通信，其理论数据传输速度达到80 MHz, 误码率小于3.5×10-4，在软体机器人、人-机接口、室内光通信等领域具有巨大的应用前景。该同时，作者将该光通信系统用于智能汽车之间的高速无线光通信，可利用大灯与尾灯实现车辆之间的通信，用于紧急制动警告、路口碰撞警告和恶劣天气下的紧急呼叫。

该研究结果发表在国际期刊Natl. Sci. Rev., 11, 3, 2024, nwad311, 论文的第一作者为南开大学的博士研究生朱玉，论文的通讯作者为陈永胜教授和李光辉副研究员。

来源：Natl. Sci. Rev.