文章导读
无接触偶极矩电调制实现高性能近红外有机光电探测器
近红外（NIR）探测器是连接微观分子识别和宏观智能感知的关键技术节点，满足了多光谱成像等前沿技术的需求。有机半导体材料由于其精确可调的带隙、溶液可加工性、灵活性兼容性和生物相容性，在近红外有机光电探测器中表现出独特的优势。有机半导体材料由于其精确可调的带隙、溶液可加工性、灵活性兼容性和生物相容性，在近红外有机光电探测器中表现出独特的优势。然而，近红外响应所需的窄带隙固有特性不可避免地导致载流子浓度激增，暗电流呈指数增长，而热载流子经历声子散射弛豫，抑制载流子收集。在这项工作中，通过非接触直流外电场克服了窄带隙聚合物材料的固有局限性。PTB7-Th:COTIC-4F器件在1100 nm处实现了2.45 × 1013 Jones的出色探测，是近红外光谱范围内报道的最高值之一。所施加的外部电场可同时调控受体分子中电偶极矩的方向和大小，从而诱导形成有序的面对面分子堆叠，增强π–π键相互作用，促进J-型聚集，进而有利于纤维状网络结构的形成。因此，优化后的薄膜形貌有效抑制了能量无序和电子-声子耦合，同时抑制了激子复合并促进激子解离，从而实现了高效载流子传输。这一非接触式外场调控策略为开发高性能近红外有机光电探测器开辟了新路径。
研究背景
近红外光电探测技术利用带隙可调的半导体材料，实现波长选择性光吸收与载流子快速分离，高效完成近红外光至电信号的转换。该技术在低损耗光通信、高分辨率生物医学无创成像等领域应用前景广阔。当前研究聚焦于提升响应速度、探测灵敏度与抑制暗电流，以优化系统整体性能。
有机光电探测器因分子结构可定制、能带易调控，在近红外探测中具备独特优势，可实现宽谱高效响应。其溶液可加工性支持柔性大面积制备，易于集成于复杂曲面与微型器件，拓展了在脑机接口等前沿领域的应用。有机材料轻质、低功耗的特性也使其在深空探测、人工智能等能耗敏感领域具有竞争力。
尽管如此，高性能近红外有机光电探测器的发展仍面临关键挑战：窄带隙材料易引起暗电流升高、激子解离与电荷传输效率不足，导致器件信噪比与灵敏度受限。目前，通过分子工程（如引入氰基π桥调节能级）和界面工程（如设计电子注入阻挡层降低暗电流）等方法已取得一定进展，但吸收系数低、激子解离效率不足、载流子复合严重及传输路径无序等问题仍是重要瓶颈，亟待突破性解决方案。
研究内容
在本研究中，采用了一种独特的方法，即在光活性薄膜制备过程中使用直流外电场来提高近红外有机光电探测器的性能。在活性层的刮涂制备过程中，通过施加适当强度的外电场以精确调控非富勒烯受体分子的电偶极矩。这一调控诱导了有序的分子堆叠并促进J型聚集，形成纤维网络结构，从而优化了活性层的分子排布与电子学性质。优化后的薄膜形貌有效降低了能量无序性，抑制了激子复合并促进了激子解离，进而实现了高效的载流子传输。外电场同时调控了体系的能量分布与电荷传输路径，促使形成连续有序的电荷传输通道。
这些结构上的优化有效降低了近红外有机光电探测器的暗电流密度（Jd）与噪声电流，从而显著提升了其外量子效率（EQE）、响应度（R）、比探测率（）和线性动态范围（LDR）。值得注意的是，在零偏压、1100 nm波长下，经外电场处理的器件比探测率可达2.45 × 1013 Jones，位列近红外光谱区已报道的最高性能水平。基于这些显著提升，采用本方法制备的近红外有机光电探测器在生物医学、成像与通信等领域展现出良好的应用前景。本研究为近红外有机光电探测器的发展与实际应用提供了新思路。
在光学传感与生物医学监测领域，近红外光因其独特性质发挥着比可见光更为关键的作用。在人体生物基质的复杂环境中，可见光较高的吸收与散射系数限制了其穿透深度。相比之下，近红外光因其吸收与散射率显著更低，能够更深地穿透人体组织，已成为一种极具前景的替代选择。
因此，进一步探究了该近红外有机光电探测器在检测极微弱光电容积脉搏波（PPG）信号中的应用。PPG信号反映了人体血管系统中血容量的微小变化，是无创生理监测的重要依据。当皮肤组织受到1064 nm近红外光照射时，近红外有机光电探测器能够快速将透射光信号的微小变化转换为电信号，从而精确捕捉由人体血管基本生理活动（即收缩与舒张）所引起的光强波动。我们将波长为1064 nm的近红外光源精确置于受试者手指腹侧，光强控制在0.2 mW·cm-2，同时在手指近端固定集成光响应检测电路，从而构建起高效的光信号收发系统。如图5a所示，我们对受试者在静息与运动状态下的心率进行了测试。PPG信号反映了人体在不同状态下的心率变化：静息心率为72 bpm，运动后心率为108 bpm。为保证心率测试的可重复性与准确性，同一受试者在固定时间点（每次间隔3天）重复测试3次（图S28）。在所有测量中，该受试者的静息心率均稳定保持在每分钟72次。
图S28. 在1064 nm光照射下三组静息心率变化。
在成像传感测试中，我们通过刮涂与热蒸发工艺制备了25×25近红外有机光电探测器阵列。采用探针随机选取10×10电极区域进行测试。以1064 nm激光为光源，将刻有字母“H”的掩膜板置于器件阵列上方。近红外光经掩膜板后，被各像素单元接收并转换为光电流信号。这些信号随后传输至计算机，最终成功实现了近红外光下字母“H”的成像，验证了该器件阵列在近红外图像传感领域的应用潜力（图S30、S31）。经计算机处理后的电流强度数据生成了清晰的“H”图像。考虑到大面积器件可在较大范围内直接对目标实现一次性成像，且无需考虑单元间的相互作用，所得信号更为纯净。
图S30. 近红外有机光电探测器在1064 nm激光下的近红外成像原理图。
图S31. 10×10阵列中各个器件对1064 nm脉冲光的响应电流随时间变化情况。
如图5b所示，我们采用波长为1064 nm、光强1.5 W·cm-2、光斑直径106.8 μm的连续光源，并在光源与大面积近红外有机光电探测器之间放置刻有“Meta”字母的掩膜板。调节样品与探测器间距后，以200 μm扫描间隔进行扫描，并逐点测量近红外有机光电探测器的光电流。该方法不仅简化了成像系统结构，还有效避免了扫描过程中可能出现的图像错位或畸变，从而提升了成像效率与质量。为拓展近红外有机光电探测器（NIR-OPDs）的应用场景，我们模拟了其在雾天条件下的近红外光通信性能。实验使用超声加湿器产生粒径为0.5–1.0 μm的水雾气溶胶，在1 m传输距离内将能见度限制在0.1 m。
图5. a) 使用近红外有机光电探测器(NIR-OPD)进行心率监测的示意图。b) 在1064nm波长下，经字母"Meta"掩膜后NIR-OPD的成像结果。c) 在1064nm激光照射下，由代表"SP, SDU"的ASCII码组成的光电探测器(OPD)响应信号，分别在晴朗天气和模拟浓雾条件下被NIR-OPD接收。
本文选用波长为1064 nm、光强为1.5 W·cm-2、光斑直径为106.8 μm的连续光源。将刻有字母“Meta”的掩膜板置于光源与大面积近红外有机光电探测器之间。调整样品与探测器间距，设置扫描间隔为200 μm，扫描区域为18800 μm × 7250 μm，并逐点测量近红外有机光电探测器的光电流。相关测试由南京迈塔光电科技有限公司 “ MStarter 200 光电流扫描测试显微镜 ” 中搭载的 “ E2-SCS 单像素器件扫描成像模块 ” 完成。
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如图S32所示，在空气洁净条件下，对照组与经外电场处理的器件在1064 nm光照下均能保持光电流随时间稳定；由于亚微米级水雾气溶胶对近红外光具有优异的透射性，该稳定性在浓雾条件下依然得以保持。
图S32 在正常条件与模拟浓雾天气下，对照组(a)与经外电场处理(b)的器件对1064 nm波长的光响应对比。
关键的是，当引入浓雾时，经外电场处理的器件其光电流仅下降至初始值的80%，而对照组器件则下降至60%。这一更优的信号保持能力表明，经外电场处理的有机光电探测器在恶劣天气下能为近红外光通信提供显著更可靠的性能。
为全面评估高效近红外有机光电探测器的性能，本研究对其器件稳定性进行了分析。如图S33所示，当光强在一定时间内变化时，器件光电流随之规律上升，表明近红外有机光电探测器在不同光强下具有良好的稳定性。
图S33.器件在1064 nm波长、不同光强下未施加(a)与施加(b)外电场时的电流-时间开关特性曲线
图S34a、b显示，封装后的器件置于空气中存放，经外电场处理器件的暗电流增加了340%，而对照组器件的暗电流则增加了825%。这一差异可能与活性层的形貌变化有关。对照器件的光电流在1000小时后下降15.4%，而经外电场处理的器件仅下降6.6%，这突显了外电场对提升器件稳定性的积极作用。此外，我们将器件直接暴露于空气中，在200 mW·cm-2的1064 nm光照下连续辐照，并持续测量其光电流（图S34c）。经外电场处理的器件在2000秒后仍保持初始光电流的96.7%，表现出优于对照组的稳定性（对照组仅保持90.9%）。在此波长与光强条件下，对经外电场处理的器件进行了20次开关循环测试（图S34d），实验结果表明器件信号在连续工作期间保持可靠稳定。这种优异的稳定性很可能得益于外电场对分子排列的调控、定向J型聚集的诱导以及活性层形貌的优化——该优化形貌促进了更有利的结构，从而增强了器件的整体稳健性。
图S34 对照组与经外电场（EEF）处理器件在1000小时内暗电流密度(a)与光电流密度(b)的变化曲线。(c)对照组与经外电场处理器件在连续光照下的光电流稳定性研究。(d)经外电场处理器件在200秒内的20次开关循环测试曲线。
研究结论
本研究通过在外电场辅助下对光活性非富勒烯受体/给体共混薄膜进行刮涂，成功调控了近红外有机光电探测器中受体分子的电偶极矩。实验与理论研究表明，施加特定强度的外电场能够诱导光活性层内发生π-π堆积和J型聚集，从而优化分子排列并重构其微纳结构。
这一创新策略有效降低了缺陷态密度，进而显著减少了暗电流。同时，它促进了薄膜中纤维网络的形成，大幅提升了空穴传输能力与载流子迁移率。在这些协同作用下，器件的外量子效率（EQE）、比探测率（D*）、线性动态范围（LDR）以及响应/恢复时间等关键性能参数均得到显著改善。
上述性能提升增强了近红外有机光电探测器将入射光子转换为电信号的能力，提高了其对弱光信号的灵敏度，并使其能够在更宽的光强范围内实现更精准、更具分辨力的探测。因此，该类探测器可广泛应用于生物医学、信息传输及近红外成像等多个领域。通过揭示分子调控与器件性能之间的内在关联，本研究解决了近红外光电探测领域的一些关键挑战，为高性能有机光电器件（尤其在生物医学和近红外成像方向）开辟了新的可能。
原文链接
Non-Contact Dipole Moment Electric Modulation Achieving High Performance Near-Infrared Organic Photodetectors
https://doi.org/10.1002/adma.202510196
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