实验室应磊研究员团队：调控聚合物分子量分布抑制暗电流密度提升有机光探测器性能

有机光探测器（OPD）因其宽光谱响应、高吸收系数、低重量及可集成性，在下一代传感器领域展现出巨大潜力。然而，高暗电流密度限制了其探测性能。半导体聚合物的分子量及分子量分布（Ð）对其能级态密度有直接影响。因此通过经济可行的策略优化分子量和态密度分布，以降低暗电流密度，提高器件探测能力，是实现高性能OPD的重要挑战。

华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的应磊研究员课题组通过溶液分级法（DFC）精确控制聚合物的分子量分布（Ð），成功制备了窄分子量分布的半导体聚合物，并显著降低了OPD的暗电流密度至1.37×10⁻¹¹ A cm⁻²，同时比探测率（D*）提升至2.19×10¹⁴ Jones。该研究揭示了分子量分布对陷阱态密度、能带宽度及注入势垒的影响，为提升OPD性能提供了一种低成本、高效的策略。

有机半导体的光电性能受分子量（MW）及其分布（Ð）影响较大。高MW材料往往具有优异的电荷传输能力，但由于传统聚合物合成方法（如金属催化聚合）不可避免地引入侧链分支和链长变化，导致MW分布较宽（Ð> 2），影响分子轨道能级分布，增加带尾态密度，从而提高暗电流密度并降低器件稳定性。缩小MW分布可以降低陷阱态密度，提高能带宽度，增加电荷注入势垒，从而显著降低暗电流密度，提高光探测性能。

(a)聚合物体积分数与Flory-Huggins参数之间的依赖关系和溶液分级机理。(b)DSC测定的不同分子量聚合物给体和Y6受体之间的Flory-Huggins参数。(c)不同级分的GPC流出曲线和对应分子量宽度。(d)不同方法测试的态密度宽度和分子量宽度之间的依赖关系。(e-f)窄分子量聚合物抑制暗电流的机理示意图。

本研究采用溶液分级法（DFC），在不改变化学结构的前提下，实现对MW分布的精准调控。研究团队以自制聚合物PTzBI-dF为研究对象，采用DFC策略获得MW相近但Ð更窄的聚合物组分。通过器件性能测试，研究发现，缩小MW分布可有效提高光探测器的电荷注入势垒、降低陷阱态密度，并优化光生载流子的带间迁移，最终使得OPD的暗电流密度降低了3个数量级，探测度提升了1个数量级。此外，该策略的普适性得到了进一步验证。研究团队也采用DFC策略优化了其他常见供体聚合物，并观察到相似的性能提升，表明该方法适用于多种有机半导体材料。

本研究提出了一种低成本、可规模化的MW分布调控策略，利用DFC方法有效优化半导体聚合物的MW分布，提高OPD的稳定性和探测能力。这一突破不仅为高性能OPD的制备提供了新思路，同时也为解决有机半导体材料的批次稳定性问题提供了一种可行方案。

相关研究成果以 “Suppressingthe Dark Current Density of Organic Photodetectors by Narrowing the MolecularWeight Distribution” 为题发表在 Macromolecules上，其中通讯作者为应磊研究员，第一作者为罗轩昂博士生。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c00986