近日，麻花星空天美视频物质科学学院刘莎研究员在高性能近红外有机光电探测器研究方向取得新进展。相关研究成果以“High-Detectivity Self-Powered NIR Organic Photodetectors Beyond 1050 nm Enabled by an A-π-D-π’-A-type Non-Fullerene Acceptor” 发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。
麻花星空天美视频物质科学学院刘莎研究员，西安近代化学研究所高潮研究员为论文共同通讯作者。麻花星空天美视频访问学生杨文博为论文第一作者。麻花星空天美视频为论文共同通讯单位。本工作得到粤莞联合地区培育基金的支持。
近红外有机光电探测器（NIR-OPD）凭借其在生物医学成像、光通信、夜视及健康检测等领域的广泛应用前景，已成为下一代柔性光电器件的重要发展方向。得益于有机材料的固有优势——低成本溶液加工性、宽光谱吸收调节性、优异的机械柔韧性以及良好的生物相容性——有机OPD在大规模柔性器件和可穿戴健康传感等应用场景中，展现了无机材料难以替代的巨大潜力。然而，在实现高性能近红外响应时，有机OPD面临一系列核心挑战：为了覆盖1000 nm以上的NIR波段，需设计窄带隙的有机半导体材料，但材料带隙的减小会引发“能隙定律”带来的困境，导致非辐射复合率指数级上升，进而影响器件性能，导致暗电流升高和激子复合加剧。传统的全平面或全扭曲骨架的非富勒烯受体（NFA）无法在光谱覆盖与载流子传输效率之间取得平衡，成为限制NIR-OPD性能突破的核心瓶颈。
本研究通过调控共轭骨架的扭曲度，成功设计并合成了两种新型非富勒烯受体（NFA）：h-ITT-4F 和 h-ITT-4Cl。与聚合物给体PTB7-Th共混后，该材料显著抑制了非辐射能量损失，提升了电荷传输效率并降低了陷阱密度。最终，该器件实现了低至1.65×10-10 A/cm2的暗电流密度，响应波长延伸至1050 nm以上，并且在400-1000 nm波段内的探测率（D*）均超过了1013 闯辞苍别蝉，为高性能近红外有机光电探测器的开发提供了新思路。
本研究的创新之处在于，突破了“全平面/全扭曲”的传统非富勒烯受体设计框架，提出了“半扭曲半平面”骨架调控策略，在单一分子中实现了“宽光谱吸收-低非辐射复合-高结晶性”的协同优化。该策略为窄带隙有机光电器件提供了一条简洁而有效的分子优化路径。最终，器件不仅实现了低暗电流、高探测率与快速响应，还成功应用于PPG精准监测，具有广泛的生物医疗等实际应用潜力，为有机光电技术的进一步发展奠定了坚实基础。
图1 陷阱态能级示意图、电容- 频率（C-ω）曲线与陷阱态密度（tDOS）分析（h-ITT-4F体系陷阱密度仅6.19×1014 cm?3，远低于丑-滨罢罢-4颁濒的1.68×1015 cm?3），结合痴辞肠-光强、闯蝉肠-光强关系，验证陷阱辅助复合被显着抑制
图2 器件性能参数（响应度、比探测率、响应速度）等
图3 NIR-OPD在心率检测中的实际应用展示
