近年来，短波红外(SWIR)有机光电探测器(OPD)因其柔性可加工、波段可调等优势，在生物医学监测与高速光通信领域展现出巨大应用潜力。然而，如何在拓展探测波长至1 μm以上的同时兼顾低暗电流与高探测率，始终是制约其发展的核心瓶颈。狭带隙非富勒烯受体材料虽可有效实现光谱红移，但往往伴随热激发载流子增加与陷阱态复合增强，从而导致器件噪声升高、性能受限。
针对这一问题，华南理工大学何志才教授团队和广东技术师范大学谢锐浩教授团队提出了一种“分子—器件协同优化”策略：通过设计末端氟化的窄带隙受体BTT-DTPn-2F，并结合溶剂蒸汽退火(SVA)调控活性层形貌，实现了对暗电流及陷阱态的双重抑制。该器件在−0.1 V下暗电流仅为4.93×10−8A cm−2，陷阱态密度降低一个数量级，探测率在1200 nm波段达到7.19×1011 Jones，并保持微秒级响应速度(−3 dB截止频率648 kHz)。进一步应用表明，该OPD不仅能够在1100 nm波段获取高质量脉搏波(PPG)信号，实现无袖带血压监测(收缩压/舒张压平均绝对误差分别为4.94/3.88 mmHg，满足AAMI标准)，还可在实时光通信系统中实现20 bytes·s−1的低误码率传输。相关成果以“Molecular-Device Co-Engineering of Ultra-Low Dark Current SWIR Organic Photodetectors for High-Quality Blood-Pressure Monitoring and Optical Communication”为题发表在Advanced Materials上，论文第一作者为Zeng Junhao。
Figure 1.
a) 窄带隙非富勒烯受体 BTT-DTPn 和 BTT-DTPn-2F 的分子结构;b) 本研究中有机光电探测器(OPD)的能级示意图;c) PTB7-Th、BTT-DTPn 与 BTT-DTPn-2F 薄膜的归一化吸收光谱。
Figure 2.
a) 基于BTT-DTPn 和 BTT-DTPn-2F 的 OPD 在未经处理与经溶剂蒸汽退火(SVA)后的暗电流密度–电压特性;b) 器件在 −0.1 V 偏压下的外量子效率(EQE)光谱;c) 器件在 −0.1 V 偏压下的光响应度(R)光谱;d) 基于 −0.1 V 暗电流密度(Jd)计算得到的受散粒噪声限制的比探测率(D*)曲线;e) 器件在 −0.1 V 偏压下的噪声电流谱密度;f) 基于噪声谱密度在不同频率下计算得到的 BTT-DTPn-2F 器件的比探测率曲线(−0.1 V 偏压)。
Figure 3.
a) 在暗态 0 V 偏压下测得的 OPD 电容–频率(C–ω)曲线;b) 基于单电子器件获得的电子迁移率统计图;c) 基于单空穴器件获得的空穴迁移率统计图(均为 BTT-DTPn 与 BTT-DTPn-2F 器件，未经处理与经 SVA 处理对比);误差棒表示在 1.5 cm × 1.5 cm 基底多点测量所得标准差，体现 SVA 处理后器件电荷传输的空间均一性;d) 通过 C–ω 表征得到的陷阱态密度(tDOS)分布及高斯拟合(实线为高斯拟合曲线);e) 器件暗饱和电流密度(J0)的温度依赖关系;f) ln(J0) 与温度倒数的关系曲线(虚线为线性拟合)。
Figure 4.
a)–d) 混合薄膜在1124 cm⁻¹ 红外激光激发下的 AFM-IR 图;e)–f) 混合薄膜的 AFM 高度图像。
Figure 5.
a) 基于BTT-DTPn-2F(SVA 处理)器件在 1085 nm 激光照射下的 J–V 特性随光强变化曲线;b) 器件在线性动态范围(LDR)的提取结果(−0.1 V 偏压下，虚线为线性拟合);c) 基于 BTT-DTPn(SVA)和 BTT-DTPn-2F(SVA)器件在10 kHz 方波调制、1050 nm 光照下的瞬态响应曲线;d)器件的 −3 dB 截止频率;e) 本研究优化器件与已报道窄带隙非富勒烯受体(NFA)SWIR OPD 的性能参数对比;f) 器件阻抗谱的 Nyquist 图及等效电路模型。
Figure 6.
SWIR OPD 应用设计。a) 不同波长 LED 光照下采集的光电容积脉搏波(PPG)信号;b) 基于 AFE4490芯片的非侵入式健康监测原型机实物图;c) 在 1100 nm 与 940 nm LED 光照下的 PPG 信号分析;d) PPG 采集与血压估算信号处理的示意图;e) 实时光通信系统设计图;f) 近红外(NIR)实时光通信物理系统示意图;g) SWIR OPD 与锗探测器在 −0.1 V 下的噪声电流谱密度对比;h) 基于 SWIR OPD 的通信示波图;i) 基于锗探测器的通信示波图(传输内容为“SCUT”)。
该研究通过分子设计与器件工艺协同优化，成功构建出具有超低暗电流与超高探测率的短波红外有机光电探测器，不仅在微秒级快速响应和宽带宽性能上表现卓越，还在无袖带血压监测与实时光通信等应用中展现出优异的稳定性与实用性。这项工作为下一代高性能、低成本的有机光电探测器开发提供了全新思路，推动了有机光电器件在生物健康监测与信息传输等实际场景中的应用落地。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202508/25/50006899.html
