研究背景

灵活的有机光电探测器可以与人体皮肤无缝接触，从而可以持续进行健康监测。然而，由于使用体异质结(BHJ)结构的光电探测器具有很高的理论暗电流，因此开发具有高探测性的柔性光电探测器仍然具有挑战性。BHJ结构中通过热生成过程产生的电荷载流子导致了更高的暗电流和更低的有机光电探测器检测率。此外，BHJ的结构/能量特性会促进从触点注入电荷，从而在信号记录过程中，在偏置电压下甚至会产生更高的暗电流和更低的检测率。

创新点

日本理化研究所/东京大学Takao Someya课题组报告了一种将有机场效应晶体管(FET)和有机光电二极管(OPD)集成在一起，在同一基板上实现超低暗电流密度，超高检测率和出色柔韧性的集成器件。 在集成传感器中，光感测过程发生在OPD模块中，该模块的信号通过控制FET的栅极以控制读出信号，从而能够利用OPD的BHJ结构的光感测特性，而避免了它的高暗电流。超柔性集成传感器将来自OPD模块的光电容积描记图信号(PPG)强度放大了约10倍，从而确认了其作为室内可穿戴生物传感器的潜力。

文章解析

图1：由有机光电二极管和晶体管组成的集成有机传感器的设计。 A)集成传感器的结构和材料。 B)电路图。 FET的栅极由OPD供电，源极和漏极连接到外部电路。 C)具有BHJ结构的OPD和具有单DNTT层的FET中暗电流的产生。对于OPD，具有BHJ结构的有机层的厚度通常为约100nm，而FET的沟道长度通常为数十微米。在BHJ结构的OPD中，在D–A界面上热生成载流子是不可避免的，而在具有单DNTT层的FET中不会发生这种情况。此外，由于通过BHJ的DOS分布势垒要低得多，因此从OPD中的触点注入电荷比在FET中容易得多。 D)在低光强度下，OPD，OPT和集成传感器的暗电流和光响应。

图2：由12个串联OPD组成的光敏模块的性能。A)器件图。B)1-Sun条件下模块的J–V曲线。C)在各种光强度下，模块的J–V曲线。D)VOC和JSC对光强度的依赖性。E)模块在0％和25％压缩下的光学图像。F)在循环压缩/释放期间，根据VOC和JSC值表示的模块的机械耐久性。G，H)弯曲装置的应变模拟。G)沿x方向一个波长的弯曲半径分布， H)沿x方向(左)一个波长的应变分布以及每一层上的最大应变(右)。

图3：由OPD和FET组成的集成传感器的性能。A)测量集成传感器输出的示意图。B)在各种强度的光照下集成传感器的输出曲线。C)在各种强度的光照下，OPD模块在晶体管的栅极上施加的电压。D)实时控制各种强度的LED阵列上的电压，以及在各种强度的光下集成器件的相应实时电流，如每个峰值所示。在此，从左到右的每个峰值处的光强度值逐渐减小。E–G)集成传感器的灵敏度，响应度和检测率。

图4：作为可穿戴生物信号传感器的柔性集成传感器。 A)压缩引起的屈曲下集成传感器的示意图。 B)在各种光强度下，不同压缩应变下集成器件的实时电流。 C)在相同的光强度和不同的压缩应变下，集成设备的标准化实时电流。 D)超柔性集成传感器的光学图像。 E)小尺寸OPD模块的光学图像 F)生物信号检测过程的图示。 G)对比模块和集成传感器分别检测到的PPG信号。读后感

作者通过将OPD模块和有机FET进行集成，开发了一种具有良好光敏特性的超柔性有机集成传感器，电路设计简单，成功地将集成传感器的暗电流设置为FET的截止电流，从而在保持高光响应的同时，大大降低了具有BHJ结构的有机光电探测器的典型暗电流。此外，超柔集成传感器结合到屈曲结构中时，显示出良好的机械性能，使其可以直接层压在人的手指上并检测高质量的PPG信号。这些特征表明该设备作为室内可穿戴生物传感器具有广阔的前景。 但是，如果要在成像器中使用它，则需要读出电路，以选择性地从集成传感器阵列的每个像素中收集信号。另外，成像器通常需要高分辨率，使得当前设备不太适合。可以通过降低FET驱动电压或采用串联结构的OPD来减少OPD模块中子电池的数量。

【参考文献】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.202000956

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