有機光偵測器(Organic Photodetectors, OPDs)因具備高消光係數、重量輕、低成本、機械柔性等優點,近年來在科學研究中受到了廣泛關注。相較於常見的寬頻的光偵測器,窄頻(narrow-band)光偵測器有選擇性高、不易受干擾及高靈敏度等優點,然而傳統窄頻有機光偵測器通常需要較高的偏壓實現自濾光(self-filtering)的功能,也因此有較高的耗電,而限制了其實際應用的潛力。為了解決這些問題,陽明交通大學光電系陳方中特聘教授團隊,提出了一個創新的光電倍增窄頻(photomultiplication narrowing, PMN)的概念,藉由偽雙層結構實現深紅光的高效自濾光功能,能在低偏壓條件下得到極高的外部量子效率(external quantum efficiency, EQE)及優異的光偵測特性。
因窄頻有機光偵測器需有良好的自濾光功能,因此提供足夠厚度的活性層吸收或過濾不需要的光源,因此驅動窄頻有機光偵測器通常需要較高的偏壓。光電倍增窄頻(PMN)的機制為利用一個偽雙層結構整合了兩個不同的功能,該結構包括一個光子濾光(photon-filtering)層和一個PM(photomultiplication)層。當光通過PF層,短波長的光子會被完整吸收,並選擇性地允許位於PF材料頻帶邊緣(band edge)的窄帶寬光進入隨後的PM層,從而啟動PM效應。這兩層緊密的協同作用使得有機光偵測器能夠顯示出顯著的PM效應,其外部量子效率可高達接近6000%,亦即一個光子可獲得約60個電子訊號,更重要的是僅需5V的電壓即可操作。相較於傳統的自濾光有機光偵測器通常需要50-60V的電壓下降許多,因此應用時更能達成節電的功能。
深紅光感測在生物醫學、生物成像和遙感等領域有許多的應用,這項突破性的研究發表於《Advanced Optical Materials》期刊,為高性能窄頻OPDs的開發提供了一個新的方向,不但能實現高靈敏度與高速響應,更能有效地利用能源。