Un gruppo di ricerca dell'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), La Corea del Sud ha sviluppato fototransistor organici (OPT) ad alte prestazioni basati su nanofili organici a canale n monocristallino. La ricerca è stata pubblicata di recente in Materiali funzionali avanzati .
I fototransistor sono transistor in cui l'intensità della luce incidente può modulare la densità dei portatori di carica nel canale. Rispetto ai fotodiodi convenzionali, i fototransistor consentono un controllo più semplice della sensibilità di rilevamento della luce senza problemi come l'incremento del rumore. Però, ad oggi, la ricerca si è concentrata principalmente sugli OPT a film sottile, e gli OPT su nanoscala sono stati riportati a malapena.
Gli OPT hanno molti vantaggi intrinseci rispetto alle loro controparti inorganiche, come la sintonizzabilità chimica delle proprietà optoelettroniche mediante progettazione molecolare e l'alto potenziale a basso costo, leggero, applicazioni flessibili.
I nano/microfili monocristallini (NW/MW) basati su semiconduttori organici hanno recentemente suscitato grande interesse in quanto sono promettenti elementi costitutivi per varie applicazioni elettroniche e optoelettroniche. In particolare, Gli OPT basati su NW/MW monocristallini possono produrre una maggiore sensibilità alla luce rispetto ai loro omologhi bulk. Inoltre, la loro unidimensionalità, la natura intrinsecamente priva di difetti e altamente ordinata consentirà una comprensione più profonda dei meccanismi fondamentali di generazione e trasporto di carica negli OPT, consentendo nel contempo una fabbricazione dal basso verso l'alto di nanodispositivi optoelettronici.
Prof. Joon Hak Oh e Hojeong Yu, lavorando all'UNIST, insieme al Prof. Zhenan Bao della Stanford University, STATI UNITI D'AMERICA, hanno lavorato su fototransistor organici a nanofili monocristallini a canale n (NW-OPT) e hanno osservato un miglioramento significativo nella mobilità dei portatori di carica degli NW-OPT.
Prof. Oh ha detto, "Lo sviluppo di OPT basati su NW/MW semiconduttori organici monocristallini a canale n è altamente auspicabile per la fabbricazione dal basso verso l'alto di circuiti fotoelettronici simili a semiconduttori di ossido di metallo complementare (CMOS), che fornisce vari vantaggi come elevata stabilità operativa, facile controllo delle tensioni di fotocommutazione, elevata fotosensibilità e reattività."
Le caratteristiche fotoelettroniche dei NW-OPT monocristallini come la fotoresponsività, il rapporto di fotocommutazione, e il guadagno fotoconduttivo, sono stati analizzati dalle caratteristiche I-V accoppiate con l'irradiazione luminosa e confrontate con quelle dei dispositivi a film sottile depositati sotto vuoto. Sono state studiate anche le efficienze quantistiche esterne (EQE) per le NW-OPT e le OPT a film sottile. Inoltre, hanno calcolato l'accumulo di carica e i tassi di rilascio dalle trappole profonde, e ha studiato gli effetti dell'intensità della luce incidente sulle loro proprietà fotoelettroniche.
Si osserva un miglioramento della mobilità quando la densità di potenza ottica incidente aumenta e la lunghezza d'onda della sorgente luminosa corrisponde all'intervallo di assorbimento della luce del materiale fotoattivo. Il rapporto di fotocommutazione dipende fortemente dalla densità di potenza ottica incidente, mentre la fotoresponsività dipende maggiormente dall'abbinamento della lunghezza d'onda della sorgente luminosa con l'intervallo di assorbimento massimo del materiale fotoattivo.
NW-OPT basati su semiconduttore a canale n, N, N ′-bis(2-feniletil)-perilene-3, 4:9, 10-tetracarbossilico diimmide (BPE-PTCDI), hanno mostrato valori di efficienza quantica esterna (EQE) molto più alti (≈7900 volte più grandi) rispetto agli OPT a film sottile, con un EQE massimo del 263 000%. Questo fenomeno è il risultato della natura monocristallina intrinsecamente priva di difetti dei NW BPE-PTCDI. Inoltre, è stato ideato un approccio per analizzare i comportamenti di trasporto di carica utilizzando tassi di accumulo/rilascio di carica da trappole profonde sotto l'accensione/spegnimento di sorgenti luminose esterne.
"Il nostro approccio ai calcoli di accumulo di carica/velocità di rilascio potrebbe fornire una comprensione fondamentale delle variazioni di densità del portatore di carica sotto irraggiamento luminoso, che consente successivamente uno studio approfondito degli OPT, " disse il prof. Oh, "Quindi gli NW-OPT organici monocristallini sono un'alternativa molto promettente ai fotodiodi convenzionali a film sottile, e può effettivamente aprire la strada alla miniaturizzazione dei dispositivi optoelettronici".
