综述：近红外有机光电探测器的材料设计与应用进展

《Polymers》：Preparation and Material–Structure–Performance Relationships of Biaxially Stretched Polytetrafluoroethylene (PTFE) Membranes for Air Filtration

这篇综述系统梳理了近红外有机光电探测器（NIR OPDs）在材料设计（如A-D-A型小分子和D-A共聚物）与器件优化方面的最新进展，重点探讨了如何通过能级调控、形貌工程等策略提升比探测率（D*）、线性动态范围（LDR）等关键性能指标，并展望了其在生物医学成像、环境监测等领域的应用潜力。

　　

近红外有机光电探测器概述

近红外（NIR）有机光电探测器（OPDs）利用有机半导体材料将NIR光信号转换为电信号，其核心优势在于溶液可加工性、机械柔性和大面积制备潜力，在生物医学成像、环境监测等领域展现出广阔前景。与无机探测器相比，OPDs虽在比探测率（D*）和稳定性方面存在差距，但其可定制化的光谱响应和柔性特征为特定应用提供了独特价值。

核心性能参数解析

评估NIR OPDs性能的关键指标包括外量子效率（EQE）、响应度（R）、比探测率（D）、噪声等效功率（NEP）和线性动态范围（LDR）。EQE表征光生载流子的收集效率，而R（单位A/W）则定义为光电流与入射光功率之比，两者通过公式R = (EQE × q × λ) / (h × c)相互关联，其中q为元电荷，λ为波长，h为普朗克常数，c为光速。D（单位Jones）是衡量探测器灵敏度的核心参数，定义为D* = (A × Δf)^1/2/NEP，其中A为有效面积，Δf为噪声带宽。NEP表示信噪比为1时所需的最小可探测光功率。LDR（单位dB）则描述了光电流响应保持线性的入射光功率范围，由公式LDR = 20 × log₁₀(I_max/I_min)计算。这些参数共同构成了评价OPDs综合性能的指标体系。

小分子半导体材料设计策略

在材料层面，小分子半导体凭借明确的分子结构、高纯度以及可精确调控的能级和光学吸收特性，成为NIR OPDs的重要选择。2022年，Chen课题组开发的FDTPC-OD分子采用A-D-A（受体-给体-受体）构型，其核心的氟化策略有效调控了能级并增强了分子堆积，使器件在880纳米处响应度超过0.4 A/W，D达到2.5 × 10¹¹Jones。Ko团队在2023年报道的COB分子则通过不对称π桥（如烷氧基噻吩OT或苯并噻二唑BT）工程，优化了分子内电荷转移（ICT）效应，降低了HOMO能级至-5.30 eV，实现了至1140纳米的吸收边，器件在1050纳米处的D高达2.68 × 10¹²Jones。Jun Liu等人于2023年设计的全稠环小分子受体FM2，以其十四元稠环结构增强了骨架刚性，降低了乌尔巴赫能量（E_U= 22.3 meV），从而有效抑制了陷阱辅助复合，使基于PBDB-T:FM2的器件暗电流低至2.01 × 10^-10A/cm²，D*达到4.65 × 10¹³Jones。Wang课题组开发的非稠环A-D-A'-D-A型受体TPDC-4F，则通过分子内O···S非共价相互作用提高平面性，并结合1-氯萘（1-CN）添加剂诱导垂直相分离，使PM6:TPDC-4F器件在800纳米处R为0.39 A/W，LDR达122 dB。这些案例表明，核心氟化、π桥工程、稠环化及侧链工程是优化小分子材料光电性能的有效手段。

聚合物半导体材料研究进展

聚合物半导体则以其优异的溶液加工性和机械柔性见长。Leem团队在2022年报道的基于噻二唑并[3,4-g]喹喔啉（TQ）核的D-A共聚物P1，通过三噻吩给体单元和烷氧基侧链的调控，将吸收边延伸至1160纳米（光学带隙约0.83 eV），与Y7受体共混的器件在1200纳米处EQE为19.5–21.7%，D为2.96 × 10¹⁰Jones。Kim课题组在2024年设计的A₁–π–A₂型n-型聚合物受体PD-T-FQx2CN，通过氟化策略优化了电子结构和薄膜形态，与P3HT共混制备的全聚合物OPDs在860纳米处R为0.031 A/W，D达1.01 × 10¹²Jones。此外，基于DPP、BT和NDI的三元共聚物PDPP-8OBT-NDI被用于制备近红外有机光电晶体管（OPTRs），该器件在810和905纳米处光敏性（S_p）达622–665%，展现了双极性探测能力和在柔性衬底上的稳定光响应，为激光雷达（LiDAR）等应用提供了可能。

噪声机制与性能优化

噪声是限制OPDs探测能力的关键因素之一，主要包括散粒噪声、热噪声和1/f噪声。散粒噪声源于电荷的离散性，其电流i_shot≈ (2 × q × I_d× Δf)^1/2，其中I_d为暗电流。热噪声（约翰逊-奈奎斯特噪声）则由载流子热运动引起，i_thermal= (4 × k_B× T × Δf / R_shunt)^1/2，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，R_shunt为并联电阻。总噪声电流i_noise为各噪声分量的平方和开方。通过材料设计（如减少陷阱态）和器件工程（如优化界面）降低暗电流和寄生电阻，是提升D*和NEP的核心途径。

多元化应用场景探索

NIR OPDs的应用正不断拓宽。在光学通信领域，其被集成到激光麦克风系统中，实现了基于808纳米激光的实时音频传输，输入输出信号波形吻合度高，保真度良好。在健康监测方面，短波红外（SWIR）OPDs被用于光电容积脉搏波（PPG）传感，利用SWIR光更深的组织穿透性实现心率等生理参数的无创检测。此外，集成于智能手机的NIR OPDs能够对半透明棕色玻璃瓶等特殊包装进行内部成像，显示出在质量监控方面的潜力。在图像传感领域，基于OPDs的阵列结合有机薄膜晶体管（OTFTs）成功实现了指纹识别，获取了清晰的脊谷图像，展现了在生物识别和安全电子中的应用前景。

总结与展望

综上所述，通过精心的分子设计（如A-D-A结构、稠环、氟化）和器件优化（如活性层形貌控制、界面工程），NIR OPDs在性能上已取得显著提升。然而，要实现其大规模商业化应用，仍需在延长器件工作寿命、提高环境稳定性、开发更简易的低带隙材料合成路线以及推动规模化制备工艺等方面持续努力。未来，随着对光物理过程（如电荷产生、传输、复合）的深入理解和新材料体系的开发，NIR OPDs有望在柔性光电、生物传感等新兴领域发挥更重要的作用。