Unlocking high-performance near-infrared photodetection: polaron-assisted organic integer charge transfer hybrids

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作者
Muhammad Ahsan Iqbal,Xue-Qian Fang,Y. Abbas,Xiaoliang Weng,Tingchao He,Y. J. Zeng
出处
期刊:Light-Science & Applications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:6
标识
DOI:10.1038/s41377-024-01695-9
摘要

Abstract Room temperature femtowatt sensitivity remains a sought-after attribute, even among commercial inorganic infrared (IR) photodetectors (PDs). While organic IR PDs are poised to emerge as a pivotal sensor technology in the forthcoming Fourth-Generation Industrial Era, their performance lags behind that of their inorganic counterparts. This discrepancy primarily stems from poor external quantum efficiencies ( EQE ), driven by inadequate exciton dissociation (high exciton binding energy) within organic IR materials, exacerbated by pronounced non-radiative recombination at narrow bandgaps. Here, we unveil a high-performance organic Near-IR (NIR) PD via integer charge transfer between Poly[2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene] (C-14PBTTT) donor (D) and Tetrafluorotetracyanoquinodimethane (TCNQF4) acceptor (A) molecules, showcasing strong low-energy subgap absorptions up to 2.5 µm. We observe that specifically, polaron excitation in these radical and neutral D-A blended molecules enables bound charges to exceed the Coulombic attraction to their counterions, leading to an elevated EQE (polaron absorption region) compared to Frenkel excitons. As a result, our devices achieve a high EQE of ∼10 7 %, femtowatt sensitivity ( NEP) of ~0.12 fW Hz -1/2 along a response time of ~81 ms, at room temperature for a wavelength of 1.0 µm. Our innovative utilization of polarons highlights their potential as alternatives to Frenkel excitons in high-performance organic IR PDs.
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