有機短波紅外（SWIR）光電探測材料因其柔性、低成本、可溶液加工及能帶可調等優勢，在紅外成像與智能感知領域展現出重要應用潛力。相比傳統無機紅外材料，有機半導體更適合集成于柔性電子與可穿戴器件中。然而，有機短波紅外材料通常具有窄帶隙，其器件性能易受到熱激發與環境溫度變化的顯著影響，導致載流子復合增強、暗電流升高及響應穩定性下降，熱穩定性問題成為制約有機短波紅外探測器實際應用的關鍵挑戰之一。因此，如何保證高靈敏度與寬譜響應的同時，實現器件在高溫環境下穩定工作，亟需通過在材料設計與器件結構工程方面加以解決。
據麥姆斯咨詢報道，近日，天津大學朱偉鋼研究團隊針對有機短波紅外光電器件因帶隙小而易受熱效應影響、在高溫條件下性能不穩定的問題，提出了一種基于三元有機體系的分子工程調控策略，實現了短波紅外光電晶體管在高靈敏度與熱穩定性方面的協同提升。基于該體系構建的光電晶體管在1000–1800 nm波段內實現了穩定的短波紅外光電響應，展現出寬光譜覆蓋能力。相關研究從分子工程與載流子輸運機制層面，為實現高溫條件下無需制冷的有機短波紅外探測提供新的設計思路。相關研究成果以“Electronic Structure, Transport, and Thermal Stability in Ternary Organic Shortwave Infrared Phototransistors”為題發表在Advanced Optical Materials期刊上。
研究團隊提出了一種基于三元有機體系的分子工程協同調控策略，通過精細調控材料組分及界面電荷轉移過程，實現有機短波紅外光電晶體管電子結構與載流子輸運行為的同步優化。研究以PDVT-10為主體材料，引入TMF2共晶構建三元活性層，在保持良好成膜性的同時顯著提高自由載流子濃度。不同組分間形成穩定的電荷轉移相互作用，有效增強載流子輸運通道并抑制高溫條件下的載流子復合。圖1給出了器件結構示意圖及活性層能級排列關系，為后續性能分析提供了直觀依據。
圖1 材料選擇、結構表征與薄膜形貌
隨后，研究人員系統分析了三元有機光電晶體管的短波紅外光電特性。相關結果如圖2所示，器件在1060 nm和1310 nm下光響應顯著增強、暗電流有效抑制，最大響應度達548 A/W，比探測率達6.8 × 1012 Jones，表現出穩定的弱光探測能力。
圖2 OFET的短波紅外光探測性能
隨后，研究人員系統研究了器件在不同溫度下的電學與光電特性。相關結果如圖3所示，在25–100 °C范圍內，器件遷移率未明顯衰減，短波紅外響應保持穩定，暗電流受抑制，展現出優異的熱穩定性。
圖3 OFET的熱穩定性
為揭示三元體系的內在工作機理，研究人員結合能級分析與超快光譜研究載流子動力學。相關結果如圖4所示，體系中形成高效電荷轉移通道，亞皮秒級空穴轉移與載流子壽命延長有效抑制復合。
圖4 載流子動力學與熱穩定性機制
綜上所述，該研究通過構建三元有機體系的分子工程調控策略，系統優化了有機短波紅外光電晶體管中的電子結構與載流子輸運行為，成功實現了高靈敏度與高熱穩定性的協同提升。研究表明，通過引入TMF2共晶調控聚合物半導體PDVT-10的電荷轉移過程，可顯著提高自由載流子濃度并抑制高溫條件下載流子復合，從而在1000–1800 nm波段內獲得穩定的短波紅外光響應。該器件在25–100 °C范圍內仍保持可靠工作性能，為有機短波紅外光電器件在非制冷、高溫環境下的應用提供了重要支撐。該研究不僅為高性能有機短波紅外光電晶體管的設計提供了新的材料與機理認知，也為柔性紅外成像與智能感知系統的發展奠定了堅實基礎。
https://doi.org/10.1002/adom.202502785
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