有機光電探測器（OPD）憑借溶液旋涂、卷對卷大面積加工、機械可彎曲、帶隙分子可精準調控等優勢，成為極具競爭力替代路線。但現有短波紅外（SWIR）有機探測器存在致命缺陷：反向偏壓提升時暗電流密度急劇升至微安量級，噪聲基底大幅抬升，探測性能斷崖式衰減，無法適配讀出集成電路。現有優化手段各有局限，亟待新解決方案出現。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由華南理工大學、大灣區大學、香港科技大學（廣州）等組成的研究團隊提出分子-器件協同工程方案，設計烷氧基側鏈修飾窄帶隙給體聚合物PDCBT-DTO2F，徹底解決短波紅外有機光電探測器（SWIR-OPD）反向偏置工作時暗電流激增的行業核心難題。該聚合物通過烷氧基誘導多重非共價構象鎖，大幅提升分子平面性與薄膜結晶度，降低能級無序與陷阱密度；搭配厚膜光學諧振腔、空穴阻擋層（HBL）雙重器件優化，在?2 V、?5 V實用反向偏壓下分別實現15.6 nA?cm?2、58.1 nA?cm?2的超低暗電流，1100 nm處探測率最高達1.04×1012 Jones，是當前偏置工作型短波有機探測器最優性能之一。該分子設計思路與器件協同優化范式，為低成本、大面積、兼容CMOS讀出電路的室溫短波紅外成像器件提供完整可行技術路線。研究成果以“Short-Wave Infrared Organic Photodetectors With Ultralow Dark Current Density Under Biased Operating Conditions”為題發表在Advanced Materials期刊上。
烷氧基分子工程
研究團隊設計兩組對照D-A型共軛聚合物：烷基側鏈PDCBT-DT2F、烷氧基修飾PDCBT-DTO2F，均以5,6-二氰基苯并噻二唑（DCBT）為強吸電子受體、四噻吩為給體單元，僅側鏈氧原子修飾作為唯一變量，精準厘清烷氧基的調控機制，實現高效的短波紅外響應。圖1展示了兩種新型共軛聚合物結構。
圖1 兩種新型共軛聚合物結構
研究團隊進一步探究了PDCBT-DT2F與PDCBT-DTO2F在光學性質和聚集行為方面的差異，相關結果如圖2所示。區別于氟化、烷基鏈加長等傳統分子改性手段，烷氧基側鏈可同步實現三大增益：（1）光譜紅移拓展短波紅外響應，（2）分子平面化提升結晶，（3）無序與陷阱雙降低。一套分子改造同時解決吸收、輸運、噪聲三大材料短板，為窄帶紅外共軛聚合物分子設計提供普適調控范式。
圖2 兩種新型共軛聚合物行為表征
兩種新型共軛聚合物的薄膜光電探測器對比
研究團隊選取非富勒烯受體BTPCN與PDCBT-DTO2F共混構筑有源層，制備了具有ITO/ZnO/活性層/MoO?/Ag結構的基礎薄膜光電器件，以研究這兩種聚合物的光電檢測性能，對比烷基側鏈對照器件系統驗證分子改性帶來的性能躍升。
圖3 兩種新型共軛聚合物的薄膜光電探測器光學性能
基礎薄膜器件雖暗電流顯著優化，但低反向偏壓下電極空穴注入仍會抬升噪聲。研究團隊提出“厚膜光學諧振腔+空穴阻擋層（HBL）”雙層器件優化策略，分別抑制體相熱載流與界面注入兩類暗電流通道，實現高偏壓下納安級超低暗電流。兩種新型共軛聚合物的薄膜光電探測器光學性能對比顯示，PDCBT-DTO2F厚膜光電探測器性能及穩定性更佳。
PDCBT-DTO2F薄膜光電探測器性能表征
研究團隊對PDCBT-DTO2F厚膜光電探測器進行了系統評估，相關結果如圖4所示。結果表明，即便在較高的偏置電壓下，該器件依然能夠保持出色的性能指標。這充分證明了其在各種實際應用場景中的巨大潛力。
圖4 PDCBT-DTO2F厚膜光電探測器光電性能
光通信、心率檢測及短波紅外成像應用
研究團隊基于PDCBT-DTO2F厚膜光電探測器，在短波紅外波段進行了光通信測試、光電容積描記法檢測心率以及單像素短波紅外成像，相關應用結果如圖5所示。
圖5 光通信、心率檢測及短波紅外成像應用
https://doi.org/10.1002/adma.73895
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