光电探测器件的发展要求不断提高探测精度和深化探测维度。偏振光电探测器件除了能够探测光的强度和波长，还能够实现对光偏振方向的响应，可显著提升成像效果和对物体的探测能力，在地质遥感、军事探测、机器视觉等方面具有十分重要的应用价值。利用半导体材料本征结构各向异性来构筑偏振探测器件有望解决传统偏振光电探测系统体积大、结构复杂等方面的问题，在实现器件小型化、集成化等方面具有独特优势。
在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所有机固体实验室董焕丽课题组在有机光电材料与器件方面开展了系统的研究工作（Adv. Mater. 2021, 2007149; Adv. Mater. 2021, 2100704; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 14902; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20274; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6332），利用有机高分子半导体晶体，深入认识和揭示了分子堆积结构和性能之间的内在关系，获得了沿不同分子排列轴向各向异性的光电特性，并构筑了高性能光电器件（Adv. Mater. 2020, 32, 1907791; Adv. Mater. 2019, 31, 1903175; Adv. Mater. 2018, 30, 1801048; Nat. Commun. 2015, 6, 100032; Adv. Mater. 2017, 29, 1701251），这些工作为进一步拓展有机光电材料在偏振光电探测器件方面的研究奠定了良好的材料与器件基础。
最近，他们基于前期发展的兼具良好电荷传输特性和光学吸收特性的有机半导体，2，6-二苯基蒽（DPA）晶体（Chem. Commun. 2015, 51, 11777; Nature Commun. 2015, 6, 10032），利用其本征线性二向色性，发展了新型有机偏振光电探测器件。他们以物理气相传输（PVT）法生长得到的DPA单晶为基础，运用角分辨偏振拉曼光谱技术（ARPRS）、角分辨反射差分显微镜技术（ADRDM）、偏振吸收光谱技术（PRAS）等多种物理手段详细表征了DPA晶体在分子振动、光学反射、光学吸收上的各向异性。以DPA晶体为核心构筑的两端器件在线性偏振光的照射下表现出独特的偏振响应特性，器件光电流的二向色性比可达~1.9。密度函数理论（DFT）计算发现，DPA 晶体本征结构上的各向异性是导致DPA晶体产生偏振响应特性的根本原因。他们发现对于易于形成高度有序结构的有机高分子半导体分子（如具有短侧链、良好的平面性、强π-π堆积作用）更有利于表现出优异的偏振响应特性，而有机分子的非对称堆积则为实现偏振响应特性提供了必要条件。本工作对 DPA 晶体的系统性研究，为利用有机半导体发展新型固态偏振光电探测器件提供了崭新的思路，并为进一步发展各种新功能的有机光电器件提供了有价值的指导。该研究成果近日发表在Advance Materials (Adv. Mater. 2021, 2105665)上，通讯作者是董焕丽研究员、半导体所魏钟鸣研究员、天津大学李立强教授和胡文平教授，第一作者是王天禹博士。
图 DPA晶体在物理性质上的本征各向异性及其光电器件的偏振响应特性