活性層從20nm加到50nm，暗電流直降2個量級，D*突破1.26×10¹³ Jones

1 背景與問題

有機光探測器因其輕便、柔性和成本效益等優勢，在光通信、光譜分析、成像及醫療傳感等領域展現出巨大的應用潛力。然而，要實現高性能的OPD，核心挑戰在於如何同時獲得高比探測率、低暗電流以及優異的器件穩定性。

傳統的富勒烯受體材料雖然在電荷分離方面表現良好，但受限於吸收範圍窄、能級可調性差及成本高昂等問題。相比之下，非富勒烯受體因其能級可調、可見光吸收強及電荷傳輸性能優越，成為提升OPD性能的關鍵材料體系。為了驗證新材料體系的實際性能，科研人員必須依賴極其精密的測試手段，包括光譜響應度、比探測率、噪聲分析以及瞬態響應測試，以全面評估器件在弱光探測能力及響應速度上的真實表現。

2 核心方案

本研究提出了一種基於真空沉積的小分子有機光探測器，采用了硼亞酞菁與氯化硼亞酞菁的共混物作為活性層。研究重點在於通過優化活性層厚度（20 nm至50 nm），探究體異質結內部的內在物理現象，旨在抑製暗電流密度，同時保持光激發和電荷分離效率。

為了全面表征器件性能，研究團隊采用了多種高精度的測試技術：

2.1 J-V特性測試：使用可編程源表測量暗態和光照下的電流密度-電壓特性；

2.2 阻抗譜：用於評估器件內部的並聯電阻和電容，分析噪聲波動；

2.3 EQE與光譜響應度測試：利用量子效率系統記錄外量子效率及積分光電流密度；

2.4 噪聲頻譜密度分析：通過LabView軟件結合源表，記錄頻域內的總噪聲電流幅度；

2.5 瞬態光電壓/光電流響應：使用示波器記錄器件在調製脈衝下的上升/下降時間；

2.6 線性動態範圍（LDR）測試：集成LED光源與濾光輪，測量器件在不同光強下的線性響應。

圖1. (a) OPD的結構示意圖和(b)能級分布設備。

3 實驗結果與分析

實驗結果表明，在-3 V的外加偏壓下，厚度為50 nm的活性層（BHJ D）實現了最優的性能平衡。該器件成功將暗電流密度抑製至極低水平，同時保持了較高的光電流密度。

圖2.在不同厚度的BHJ（a）20、(b) 30、(c) 40和(d) 50 nm）下，分別在1太陽光照條件下（空心符號）和無光照條件（實心符號）下的J-V特性。

圖3.不同BHJ厚度下300至800 nm波長範圍的光譜圖：(a)光吸收；(b)包含積分Jph的等效量子效率（EQE）；(c)響應度。圖b和圖c中的數據基於-3 V偏置電壓。

研究還發現，隨著活性層厚度的增加，器件的截止頻率和瞬態響應速度均有所提升。50 nm厚度的器件表現出最快的電荷積累和轉移擴散能力。此外，在連續光照條件下進行的光穩定性測試顯示，該器件在119.16小時後仍能保持初始值的92%（），顯示出優異的穩定性。

圖4.不同BHJ厚度的OPD器件的頻率和時間響應。記錄曲線基於施加的偏置電壓為−3 V，以525 nm（綠色LED）發射波長照射，光功率密度強度為1 mW cm⁻²。.(a) 從10⁻¹到700 kHz的歸一化頻率帶寬。(b)在250 kHz調製頻率下產生的歸一化瞬態光電壓脈衝。

圖6. 基於-3 V偏壓的BHJ厚度下的LDR記錄曲線：(a) 20 nm；(b) 30 nm；(c) 40 nm；(d) 50 nm。線性虛點表示確定系數的調整值（Adj. Rsq）。

4 設備介紹

FineDet

光探測器綜合表征

FineDet是一款寬波段光探測器綜合測量儀，用於測量探測器的光譜響應度、噪聲、線性動態範圍、伏安和瞬態響應。系統將光學激勵、弱信號電學采集、自動對位與數據分析集成，主要用於確定探測器的真實性能邊界。適用於可見、近紅外、中紅外及新型低維光探測器研發。近紅外、短波紅外和中紅外探測器研發需要同時關注響應度、EQE、暗電流、噪聲譜密度、NEP、比探測率D*、線性動態範圍LDR和響應速度。FineDet將這些關鍵指標置於可比的測量條件下，避免僅憑高響應度高估器件弱光探測能力。

4.1 技術特點

(1) 集成光譜響應度、可溯源EQE/IQE、比探測率、噪聲、伏安、穩定性和瞬態響應等測試；

(2) 產品方案工作波長覆蓋400-5000 nm，可面向可見、近紅外及中紅外探測器；

(3) 線性動態範圍模塊支持1550 nm激光自動調光並開展100 dB LDR測試，噪聲頻率覆蓋1 Hz-100 kHz；

(4) 主機集成單色儀、光學調製、電學檢測、三軸位移、顯微探針和高清可視化對位；

(5) 系統自動獲得NEP、D*、LDR和上升/下降時間。

4.2 設備優勢

(1) 集成響應、噪聲、動態和電學多功能測試指標，區別於隻測EQE或單一響應度的常規系統；

(2) 400-5000 nm寬波段能力可覆蓋新型紅外與窄帶隙探測器；

(3) 自動對位、能量標定和LDR控製提高多指標測試的一緻性，便於器件優化與研究分析；

(4) 基於實測噪聲、響應度和LDR綜合分析探測器，能夠避免隻報告單項高指標，更符合新型紅外探測器的嚴謹表征需求。

原文參考：Enhancing Specific Detectivity and Device Stability in VacuumDeposited Organic Photodetectors Utilizing Nonfullerene Acceptors