【Adv.Mater.】50.2%外量子效率！有机短波红外光探测器新突破

文章标题：Sensitive Shortwave Infrared Organic Photodetectors Enabled by Nonfullerene Acceptor Featuring an Ultralow Optical Bandgap of Less than 1.0 eV
通讯作者：Xiaozhang Zhu
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202520509

文章概要

引言

短波红外（SWIR, 1–3 µm）光探测器在夜视监控、生物成像、远程监测和光通信等领域具有重要应用。然而，目前商用的InGaAs和Ge基探测器存在制造复杂、工作电压高、易碎且需低温冷却等问题，限制了其在柔性光电子器件中的应用。相比之下，有机半导体因其可调谐性、低成本、柔性和生物兼容性而成为理想候选材料。尤其是非富勒烯受体（NFA）在有机太阳能电池中的成功应用，推动了其在短波红外有机光探测器（OPDs）中的发展。然而，如何突破带隙收窄的极限并实现高效的SWIR光响应仍是关键挑战。

主要实验及结论

研究团队设计了一种新的强电子给体单元——SNCS，并基于A–D–A与A–Q–D–Q–A策略合成了两种新型非富勒烯受体：SNCS-4F与SNCSTT-4F。其中，SNCSTT-4F在薄膜状态下的吸收边延伸至1348 nm，对应光学带隙仅0.92 eV。通过与常用聚合物供体PTB7-Th共混，制备了高性能OPDs。

实验结果显示，PTB7-Th:SNCSTT-4F器件在1200 nm下实现了创纪录的外量子效率（EQE）50.2%、响应度0.49 A/W以及比探测率4.47 × 10¹² Jones（零偏压），性能已接近商用InGaAs探测器。进一步的形貌分析、Mott–Schottky测试和陷阱态密度分析表明，液体添加剂1-氯萘（1-CN）处理可优化活性层形貌、提升能级差、降低陷阱态密度，从而显著增强器件性能。

此外，该OPD在心率光电容积描记（PPG）和红外音频通信中表现出高灵敏度和稳定性，证明其在健康监测和智能通信中的应用潜力。器件还展现出127 dB的线性动态范围、9 µs的快速响应速度以及350 kHz的截止频率，满足高频应用需求。

总结及展望

本研究通过氮原子取代策略与共轭结构设计，成功开发出超低带隙非富勒烯受体SNCSTT-4F，并实现了迄今最高性能的SWIR有机光探测器。其性能不仅接近甚至可媲美无增益机制下的无机InGaAs探测器，还在健康监测与红外通信中展现出实用价值。未来，这一分子设计思路将为超窄带隙NFA的开发提供新方向，有望推动有机光电器件在可穿戴电子、光通信和医学诊断中的广泛应用。