导读
图1.（a）多重共振1,4-硼氮杂芳烃的光物理性质和研究现状；（b）BCzBN和BCzBN-COOH的化学结构，以及本工作中窄谱带光电探测器的设计。
近日，南开大学王小野课题组利用MR材料的窄谱带吸收特性，首次构建了基于MR分子的窄谱带光晶体管器件（图1b）。作者设计了一种有机/无机锚定型光晶体管结构，通过将羧基功能化的MR分子（BCzBN-COOH）锚定在高迁移率的氧化铟锌（IZO）薄膜表面，实现了高效的界面电荷转移。该器件结构可充分利用MR分子的窄谱带吸收特性，而无需依赖其载流子迁移率。该器件展现出优异的光电探测性能，其光电响应半峰宽仅为33 nm，在基于本征窄吸收材料的窄谱带光电探测器中创下了新纪录。这一结果充分表明，MR材料有潜力成为新一代窄谱带光电探测器的分子平台。
图2. BCzBN和BCzBN-COOH的（a）吸收光谱以及（b）前线分子轨道分布和能量图。
BCzBN和BCzBN-COOH的吸收光谱显示，二者在可见光区均呈现出尖锐的吸收带，半峰宽都为21 nm（图2）。不同的是，BCzBN-COOH的最大吸收峰相比于BCzBN发生轻微红移。理论计算结果表明，在BCzBN中引入羧酸基团对最高占据分子轨道（HOMO）的影响可以忽略不计。相比之下，最低未占分子轨道（LUMO）明显向具有吸电子性质的羧酸基团拓展，且LUMO能级从–1.71 eV显著降低到–2.03 eV。因此，与BCzBN相比，BCzBN-COOH显示出更小的HOMO-LUMO能隙，这解释了BCzBN-COOH吸收峰红移的现象。此外，值得注意的是，羧酸基团的引入并未改变前线分子轨道的非键特性，这对BCzBN-COOH保持窄谱带吸收性质至关重要。
图3. IZO和BCzBN-COOH/IZO薄膜的（a）吸收光谱和（b）O 1s的XPS分析谱图；（c）BCzBN-COOH/IZO异质结构的能带；（d）BCzBN-COOH和BCzBN-COOH/IZO的光致发光光谱。
为了制备BCzBN-COOH/IZO异质结构，作者采用浸泡法，首先将制备的IZO薄膜浸入BCzBN-COOH溶液中，随后通过溶剂冲洗去除物理吸附的分子。紫外-可见吸收光谱显示（图3a），BCzBN-COOH修饰的IZO薄膜在485 nm处出现特征吸收峰，相较于BCzBN-COOH溶液相的吸收峰（489 nm）发生了4 nm的蓝移。此外，杂化薄膜的吸收半峰宽（33 nm）较溶液下发生展宽，这可能是由于BCzBN-COOH分子在IZO表面发生聚集所致。通过X射线光电子能谱（XPS）对O 1s能级进行分析表明，BCzBN-COOH修饰后，IZO薄膜中晶格氧的相对峰面积比增加，氧空位浓度降低，特别是化学吸附氧的比例显著提升，这些结果充分证实了BCzBN-COOH成功键合在IZO薄膜表面（图3b）。同时，BCzBN-COOH/IZO异质结能带呈现出典型的II型异质结构（图3c），这种能带结构有利于激子解离为自由载流子，从而提升电荷分离效率。进一步的光致发光光谱研究表明（图3d），在含有IZO纳米颗粒的BCzBN-COOH溶液中观察到显著的荧光淬灭现象，证实了光生电子从BCzBN-COOH向IZO半导体转移的可行性。
图4.BCzBN-COOH/IZO光晶体管器件性能。
作者进一步表征了基于BCzBN-COOH/IZO异质结构的光晶体管器件性能。如图4a所示，器件表现出波长依赖的光响应特性，在485 nm处响应最强，这与BCzBN-COOH修饰的IZO薄膜的吸收峰高度吻合。通过系统研究光强依赖特性（图4b-f），该光晶体管展现出优异的光探测性能：其最大光灵敏度（Pmax）、光响应性（Rmax）、外量子效率（EQEmax）和比探测率（D*max）分别达到6.73×107、8.99×103 A W-1、2.30×104和5.62×1014 Jones。这些性能指标在已报道的有机/无机杂化光电晶体管中处于领先水平，凸显了该器件结构在光电探测中的优势。
图5.（a）BCzBN-COOH/IZO光晶体管的光谱选择性探测图；（b）本工作及文献报道的光电探测半峰宽比较；（c）非MR分子TPABT-COOH的化学结构。（d）TPABT-COOH/IZO薄膜的吸收光谱和TPABT-COOH/IZO光晶体管的光谱选择性探测图。
BCzBN-COOH/IZO光晶体管的光谱选择性探测谱图如图5a所示，其在485 nm处达到峰值，探测半峰宽为33 nm，这是目前报道的基于本征窄吸收材料的窄谱带光电探测器中最窄的纪录（图5b）。为阐明MR材料对光电探测性能的贡献，作者合成了非MR材料TPABT-COOH进行对比研究（图5c）。TPABT-COOH/IZO光晶体管的最大P、R、EQE和D*值与基于MR的光晶体管性能相当，表明有机/无机异质结结构是实现优异光电探测性能的关键。另一方面，TPABT-COOH/IZO光晶体管的探测半峰宽与杂化薄膜的吸收光谱一致（图5d），表明杂化光晶体管的探测半峰宽主要由有机材料的吸收特性决定。因此，MR基光晶体管的探测半峰宽明显小于非MR基器件，这凸显了MR材料的窄吸收特性在实现窄谱带光电探测中的核心作用。
总结
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