- Titel
- Advancing organic photodetectors for narrowband spectral sensing and high-speed communication
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1066200
- Erstveröffentlichung
- 2026
- Datum der Einreichung
- 02.04.2026
- Datum der Verteidigung
- 26.06.2026
- Abstract (DE)
- Im fortschreitenden Zeitalter der Digitalisierung erfordern aufkommende Paradigmen wie das Internet der Dinge, Industrie 4.0 sowie Quantentechnologien leistungsfähige Photodetektoren, die eine anwendungsspezifische und zuverlässige optische Signaldetektion ermöglichen. Als zentrale Komponenten optischer Sensorsysteme bilden Photodetektoren die technologische Grundlage für Anwendungen in der Überwachung, Spektroskopie, biomedizinischen Diagnostik, Kommunikation sowie in der astrophysikalischen Instrumentierung. Organische Photodetektoren (OPDs) zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht, ihre partielle Transparenz, ihre Bandlücken-Tunbarkeit, ihre mechanische Flexibilität sowie ihre kosteneffiziente Prozessierbarkeit aus und stellen damit eine vielversprechende Plattform für optoelektronische Systeme der nächsten Generation dar. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Entwicklung und physikalische Untersuchung von Strategien zur intrinsischen schmalbandigen spektralen Selektivität sowie zur Hochgeschwindigkeitsdetektion für Anwendungen in der optischen Kommunikation. Zur Realisierung blau-selektiver Detektoren für RGB-Sensorsysteme wird eine vollständige thermisch verdampfte, filterlose schmalbandige blaue OPD durch gezielte Nutzung der dualen Funktionalität der Lochtransportschicht entwickelt. Die Integration einer mit MoO3 dotierten Unterschicht ermöglicht eine externe Quanteneffizienz (EQE) von bis zu 50% bei 0 V in Dünnschichtbauelementen. Gleichzeitig reduziert eine intrinsische Unterschicht in planarer Heteroübergangsarchitektur in Kombination mit effizienten Ladungssperrschichten den Dunkelstrom auf 2.46×10−12 A/cm2, bei −0.1 V. Das resultierende Bauelement erreicht eine spezifische Detektivität (D∗) von 6.35×1014 Jones sowie einen linearen Dynamikbereich von 205 dB und übertrifft damit kommerzielle Silizium-Photodetektoren hinsichtlich der Sensitivität. Zur Erweiterung der schmalbandigen Detektion in den nahinfraroten (NIR)-Bereich wird ein Dünnschicht-OPD auf Basis einer Bulk-Heterojunction mit reduziertem Donoranteil untersucht. Die gezielte Donorverdünnung unterdrückt Aggregationseffekte, erhöht den Shunt-Widerstand und reduziert den Dunkelstrom, während ein signifikanter Photostrom erhalten bleibt. Das optimierte 5 wt%-Donor-Akzeptor-Bauelement erreicht eine EQE von 49.3% bei 770 nm (0 V) sowie eine auf thermischem Rauschen basierende spezifische Detektivität von 1.0×1013 Jones. Zudem werden schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten von 530/840 ns erzielt. Vergleichende Untersuchungen von n–i–p- und p–i–n-Architekturen zeigen eine ausgeprägte strukturelle Sensitivität in Systemen mit niedrigem Donoranteil. Für Anwendungen in der optischen Kommunikation wird gezeigt, dass konventionelle Geschwindigkeitscharakterisierungen die Leistungsfähigkeit von OPDs bei Vorliegen einer Mobilitätsimbalance überschätzen können. Transientenanalysen und Simulationen belegen, dass die ultraschnelle Dynamik primär vom Ladungsträger mit höherer Mobilität bestimmt wird. Dies führt zu einer scheinbaren Bandbreitenerhöhung, jedoch zugleich zu raumladungsinduzierten Rekombinationsprozessen und reduziertem Photostrom. Zur realitätsnahen Bewertung der Eignung für Kommunikationsanwendungen wird eine neue Kenngröße eingeführt, welche die Lücke zwischen klassischen Photodetektorparametern und tatsächlicher Übertragungsleistung schließt. Der mobilitätsimbalancierte OPD erreicht eine Datenübertragungsrate von 170 Mbps (Bitfehlerrate < 10−3) bei einer spezifischen Detektivität von 1.8×1014 Jones bei −4 V. Die vorliegenden Ergebnisse etablieren physikalisch fundierte Designprinzipien, welche Materialstöchiometrie, Ladungstransport, Exzitonenmanagement und transiente Dynamik systematisch mit schmalbandiger Detektion und Hochgeschwindigkeitskommunikation verknüpfen und leisten damit einen Beitrag zur Weiterentwicklung organischer Photodetektoren hin zu systemintegrierten Anwendungen.
- Abstract (EN)
- In the accelerating era of digitalization, emerging paradigms such as the Internet of Things, Industry 4.0, and quantum technologies demand advanced photodetectors capable of customized and application-specific optical signal detection. As indispensable components in optical sensing systems, photodetectors underpin surveillance, spectroscopy, biomedical monitoring, communication, and astrophysical instrumentation. Organic photodetectors (OPDs), distinguished by their lightweight nature, semi-transparency, bandgap tunability, mechanical flexibility, and low-cost processability, present compelling opportunities for next-generation optoelectronic platforms. To further elevate their technological relevance, this thesis develops and systematically investigates strategies for intrinsically narrowband spectral selectivity and high-speed operation tailored for optical communication applications. To address the scarcity of blue-selective devices in RGB sensing systems, a fully thermally evaporated, filterless narrowband blue OPD is realized by exploiting the dual role of the hole-transporting layer. Incorporation of a MoO₃-doped underlayer enables a high external quantum efficiency (EQE) of up to 50% at 0 V in thin-film devices, while an intrinsic underlayer in a planar junction configuration combined with efficient charge-blocking layers suppresses dark current density to an ultralow 2.46×10⁻¹² A/cm² at −0.1 V. The resulting device achieves a record-high specific detectivity (D*) of 6.35×10¹⁴ Jones and an ultrahigh linear dynamic range of 205 dB, surpassing commercial silicon photodetectors. Extending narrowband detection into the near-infrared (NIR), a thin-film bulk-heterojunction OPD based on low donor-content stoichiometry is demonstrated. Donor dilution suppresses aggregation, improves shunt resistance, reduces dark current, and sharpens spectral selectivity while maintaining substantial photocurrent. The optimized 5 wt% donor:acceptor device achieves an EQE of 49.3% at 770 nm (0 V) and a thermal-noise-based D* of 1.0×10¹³ Jones, together with fast NIR response times of 530/840 ns (rise/fall). Comparative studies of n-i-p and p-i-n configurations reveal pronounced structural sensitivity in low-donor systems. For optical communication, this work shows that conventional speed characterization can overestimate device suitability when mobility imbalance exists. Transient analyses and simulations reveal that ultrafast dynamics are dominated by the higher-mobility carrier, leading to apparent bandwidth enhancement but space-charge-mediated recombination and reduced photocurrent. A new figure of merit is proposed to bridge standard photodetector metrics and communication performance. The mobility-imbalanced OPD achieves a data transmission rate of 170 Mbps (bit-error rate < 10⁻³) while maintaining a high D* of 1.8×10¹⁴ Jones at −4 V. These findings establish design principles linking material stoichiometry, charge transport, exciton management, and transient dynamics to narrowband detection and high-speed communication, advancing OPDs towards future system-level integration and commercialization.
- Freie Schlagwörter (EN)
- organic photodetector, narrowband, optical communication
- Klassifikation (DDC)
- 540
- Klassifikation (RVK)
- VG 6857
- GutachterIn
- Prof. Dr. Karl Leo
- Prof. Dr. Thuc-Quyen Nguyen
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Karl Leo
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Sonstige beteiligte Institution
- Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP), Dresden
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1066200
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 19.08.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0- Inhaltsverzeichnis
Contents Abstract iii Kurzfassung iv Publication vii 1. Introduction 1 1.1. Organic electronics in the context of decarbonization 2 1.2. Organic optoelectronics for future sensing technologies 3 1.3. Scope and contribution of this thesis 5 2. Fundamentals 7 2.1. Early discoveries of the conductive organic materials 8 2.2. Molecular origin of semiconducting properties in organic materials 8 2.2.1. π - conjugation and orbitals in a single molecule 8 2.2.2. Intermolecular interaction and charge transport 9 2.2.3. Molecular doping in organic semiconductor 14 2.3. Charge dynamics in organic photodetectors 16 2.3.1. Device structure of an organic photodetector 16 2.3.2. Exciton dynamics and charge absorption in an organic photodetector 18 2.3.3. The impact of the charge-transfer state 21 2.3.4. Charge recombination 26 2.4. Key parameters in organic photodetectors 31 2.4.1. Specific detectivity (D∗) and noise . 31 2.4.2. Dark current density (Jd) 34 2.4.3. Linear dynamic range (LDR) 46 2.4.4. Photoresponse speed 47 2.5. Narrowband photodetection 50 2.5.1. External filtering 51 2.5.2. Internal filtering 51 2.5.3. Intrinsically narrowband materials 58 3. Experimental 61 3.1. Material 61 3.2. Device fabrication 64 3.3. External quantum efficiency 66 3.3.1. Ultra-sensitive external quantum efficiency 66 3.4. Current-Voltage characteristics 68 3.4.1. Light and dark sensitive I-V measurements 68 3.4.2. Temperature-dependent current-voltage characteristics 69 3.5. Transient photocurrent measurements 69 3.5.1. Square-wave response 69 3.5.2. Laser-pulse response 70 3.6. Linear Dynamic range 70 3.7. Noise spectral density 72 3.8. Impedance spectroscopy 72 3.9. Resistance-dependent photovoltage (RPV) 73 4. Results and Discussion 75 4.1. High-Performance Filterless Blue Narrowband Organic Photodetectors 76 4.1.1. Introduction 76 4.1.2. Device configuration 77 4.1.3. Dual roles of the hole transporting layer 78 4.1.4. Impact of doping on dark current 81 4.1.5. Transient performance 84 4.1.6. Ultrahigh LDR and D∗ 84 4.1.7. Conclusion 89 4.2. Low-donor content approach to achieve sensitive narrowband organic photodetectors 90 4.2.1. Introduction 90 4.2.2. Device and materials 90 4.2.3. Aggregation-mediated spectrum narrowing 92 4.2.4. Current-Voltage characteristics 96 4.2.5. Device engineering of transporting layers 98 4.2.6. Conclusion 103 4.3. The role of mobility imbalance in fast high-performance organic photodiodes 104 4.3.1. Potential and challenges of OPDs in visual-light communication 104 4.3.2. Device engineering towards fast OPDs 105 4.3.3. Impact of highly imbalanced mobility on transient dynamics 109 4.3.4. Impact of highly imbalanced mobility on static characterization 123 4.3.5. Role of mobility imbalance on optical communicatio 125 4.3.6. New figure of merit - Transient Dynamic Range (TYR) 130 4.3.7. Discussion 132 5. Summary and Outlook 135 5.1. Towards color-specific narrowband photodetection 135 5.2. Pitfalls and potential for OPD-based VLC systems 136 5.3. Outlook 137 A. Appendix 139 A.1. Drift-diffusion simulation 139 A.2. SCR correction with intrinsic TAPC 140 A.3. Fall kinetics in transient dynamics with severe mobility imbalance 142 A.4. TYR comparison across different material systems 143 References 144