大面积黑磷/苝四甲酸二酐界面电荷转移掺杂柔性光电探测器的制备与性能研究

为解决传统黑磷(BP)薄膜制备工艺复杂、成本高昂的问题，研究人员通过液相界面组装法开发了大面积BP薄膜制备技术，并创新性地采用PTCDA退火处理实现有机-无机界面电荷转移掺杂。该柔性器件在450-1550 nm波段展现出优异的光响应性能(1550 nm处响应度达2.21 mA/W)，响应时间仅24 ms，为可穿戴光电器件提供了新方案。

　　

在柔性电子和可穿戴技术蓬勃发展的今天，传统硅基光电探测器因刚性特质难以满足弯曲应用需求。黑磷(BP)凭借其高载流子迁移率(50,000 cm²·V^-1·s^-1)和可调带隙(0.3-2.0 eV)成为理想候选材料，但现有制备技术依赖高温高压条件，且器件尺寸多局限于100 μm以下，严重制约实际应用。

针对这一技术瓶颈，重庆理工大学的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表创新成果。他们开发了一种绿色电化学剥离结合液相界面组装的新策略，成功制备20 nm厚的大面积BP薄膜，并通过热蒸发-退火工艺构建BP/PTCDA有机-无机电荷转移掺杂体系。关键技术包括：氢自由基电化学剥离法制备BP纳米片分散液、乙酸乙酯辅助的液-液界面自组装、250℃退火诱导PTCDA晶粒重排形成非连续界面。

研究结果显示：X射线衍射(XRD)证实退火后PTCDA(002)晶面衍射峰增强，原子力显微镜(AFM)显示掺杂后表面粗糙度降低至0.89 nm。通过开尔文探针力显微镜(KPFM)测得PTCDA与BP间0.35 eV的功函数差，验证了空穴从PTCDA向BP的自发转移。器件性能方面，在7.18 mW/cm²功率密度下实现450-1550 nm宽谱响应，1550 nm处响应度达2.21 mA/W，比纯BP器件提升近3倍。时间响应测试显示上升/下降时间分别为22/24 ms，经500次弯曲循环后性能保持率超过90%。

该研究的突破性在于：首次将PTCDA离散晶粒修饰应用于BP表面掺杂，通过非连续界面设计既实现电荷转移又降低散射损耗；开发的全溶液加工工艺与柔性基底兼容，退火温度不超过250℃。这项工作为高性能BP光电器件的规模化制备提供了可行路径，在军用红外成像、医疗可穿戴监测等领域具有重要应用价值。特别值得注意的是，研究者通过MoS₂/PTCDA异质结的经验启示，巧妙利用PTCDA大功函数特性(理论计算显示其HOMO能级-5.7 eV)实现p型掺杂，这种能带工程策略为二维材料界面调控提供了新思路。

结论部分强调，该兼容性策略弥合了高性能BP光子学与实际柔性集成之间的鸿沟。后续研究可进一步探索PTCDA晶界调控对载流子输运的影响，以及该技术在阵列化器件中的集成潜力。Wenlin Feng团队的工作为有机-无机杂化光电材料的设计树立了新范式，其低温和溶液加工特性尤其适合未来柔性电子的大规模制造。