2D材料在電子和光電領(lǐng)域顯示出優(yōu)異的性能。對高性能光電器件的廣泛需求促進了對多種2D材料的探索。最近，2D共價有機框架(COFs)已成為下一代分層材料，該材料具有π電子骨架和高度有序的拓撲結(jié)構(gòu)，有望改變其光電性能。然而，由于生長的各向異性，COFs通常以固體粉末的形式產(chǎn)生，這使得它們難以集成到器件中。在此，通過選擇具有光電活性的四苯乙烯單體，在石墨烯上原位合成了具有高度有序的供體-受體拓撲結(jié)構(gòu)的光敏2D-COF，最終形成了COF-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用COF
ETBC–TAPT-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)成功制備了超敏光電探測器，其整體性能優(yōu)異，在473 nm處的光電響應(yīng)率約為3.2×107 A W
−1，時間響應(yīng)約為1.14 ms。而且，由于COFs的高表面積和極性選擇性，可以通過特定的靶分子可逆地調(diào)節(jié)光電檢測器的光敏特性。這項研究為構(gòu)建具有可編程材料結(jié)構(gòu)和多樣化調(diào)節(jié)方法的高級功能設(shè)備提供了新的策略，為光電子和許多其他領(lǐng)域的高性能應(yīng)用鋪平了道路。
Figure 1. COF
ETBC-TAPT-石墨烯光電探測器。a) COF
ETBC-TAPT的定向生長。b) COF
ETBC-TAPT-石墨烯光電探測器及其測量裝置的側(cè)面示意圖。c)所制設(shè)備的SEM圖。
Figure 2. COF
ETBC-TAPT-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征。a) COF
ETBC-TAPT頂部視圖。b)實驗的PXRD圖譜(頂部)與A-B形排布的COF
ETBC-TAPT的仿真圖譜(底部)比較。c) COF
ETBC-TAPT及其單體的FT-IR光譜。d) COF
ETBC-TAPT -SLG膜、COF
ETBC-TAPT粉體及相應(yīng)單體粉體和SLG的拉曼光譜。e) COF
ETBC-TAPT-SLG膜的表面形貌。
Figure 3. 光電探測器設(shè)備性能。a)不同照明功率下光電探測器的傳輸曲線。b)在100 nW的照明功率下，光電流作與柵極電壓VG的關(guān)系。c)在零柵極電壓下，在不同照明功率下，漏極電流與偏置電壓的關(guān)系。d)與照明功率和偏置電壓有關(guān)的光電流產(chǎn)生的色度圖。e)光誘導(dǎo)電阻變化和光響應(yīng)率與照明功率的關(guān)系。f)光敏度在400 ~ 800 nm范圍內(nèi)為照明波長的函數(shù)。
Figure 4. 設(shè)備的光電流動力學(xué)。a)暗光交替照明下的光敏性能。b)一個周期光調(diào)制的歸一化光電流動力學(xué)放大圖。c)設(shè)備性能總結(jié)。
Figure 5. 由目標(biāo)分子調(diào)節(jié)的光電子性質(zhì)。a) COF
ETBC-TAPT -石墨烯薄膜表面氣體分子吸收和電荷轉(zhuǎn)移的示意圖。b)不同氣體分子在黑暗中的I
DS-V
DS特性曲線。c)不同氣體環(huán)境中光電流的產(chǎn)生。
相關(guān)研究成果于2020年由南京大學(xué)Yanqing Lu課題組，發(fā)表在Adv. Mater. ( DOI: 10.1002/adma.201907242)上。原文：Ultrahigh Responsivity Photodetectors of 2D Covalent Organic Frameworks Integrated on Graphene
