近日，加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校高分子及有機(jī)固體研究所的團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威期刊《Advanced Materials》上發(fā)表了題為“A High‐Performance Solution‐Processed Organic Photodetector for Near‐Infrared Sensing”的研究工作。論文第一作者為博士研究生黃健飛，通訊作者為Thuc-Quyen Nguyen教授和Guillermo C. Bazan教授。研究工作展示了一類基于新型窄禁帶非富勒烯電子受體的高效近紅外有機(jī)光探測(cè)器。得益于其出色的光電轉(zhuǎn)化和快速檢測(cè)響應(yīng)能力，此光探測(cè)器經(jīng)封裝可用于無創(chuàng)的光電脈容積脈搏波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1. 光檢測(cè)器活性層材料的有機(jī)半導(dǎo)體的（a）化學(xué)結(jié)構(gòu)和（b）薄膜吸收光譜；（c）光探測(cè)器件基本結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)示意圖; （d）光探測(cè)器的光響應(yīng)性和外量子效率；（e）本文與其他文獻(xiàn)的最高光響應(yīng)性的比較。

在極弱信號(hào)檢測(cè)的應(yīng)用中，限制因素往往來自于暗電流引起的噪音信號(hào)。為了抑制暗電流和噪音信號(hào)，作者通過“厚異質(zhì)結(jié)策略”，使厚活性層的器件在2伏特的逆向偏壓下獲得了納安每平方厘米級(jí)別的低暗電流（圖2a）。這樣低的暗電流得益于對(duì)空間電荷限制電流的有效抑制（圖2b-c）。結(jié)合之前所述的高光響應(yīng)性，即便在較大逆向偏壓下（2 V）同樣能保持10^12 Jones的比探測(cè)率（圖2d-e）。也就是說，其能檢功率密度低至約幾皮瓦每平方厘米（小于AM 1.5G太陽(yáng)光功率密度的百億分之一）的極弱的940 nm近紅外光信號(hào)。

圖2 . （a）光探測(cè)器的光電流和暗電流；（b）厚活性層和（c）薄活性層的光探測(cè)器校正電流密度與逆向偏壓的關(guān)系；（d） 薄活性層和（e）厚活性層的結(jié)光探測(cè)器的探測(cè)率

作者進(jìn)一步將制備的光探測(cè)器應(yīng)用于光電容積脈搏波法（圖3a）。該方法中，首先以一束近紅外光照射人體部分（通常為手指），再通過光探測(cè)器收集并檢測(cè)透射/反射的近紅外光（圖3b-c）。由于血管在心動(dòng)周期中舒張和收縮導(dǎo)致光吸收/散射的變化，可獲得心率、心率變異性等有用的臨床醫(yī)療信息。

圖3. （a）光電容積脈搏波檢測(cè)的基本原理；（b）通過基于本文光探測(cè)器的光電容積脈搏波法檢測(cè)的（b）正常與（c）運(yùn)動(dòng)后的脈搏信號(hào)

背景

近紅外光通常指750 nm至1400 nm的電磁波。其在電磁輻射光譜中緊鄰可見光的紅光波段，屬于短波長(zhǎng)的一段紅外線。雖然看不見、摸不著，但近紅外探測(cè)在許多技術(shù)中都有著重要作用。例如，自動(dòng)化控制、夜視監(jiān)控、生物熒光顯影、紅外線攝影等都需要高效的紅外光探測(cè)器。近紅外光探測(cè)器通常依賴于單晶硅、鍺、硒化銦/鎵等窄禁帶的無機(jī)半導(dǎo)體材料。然而，該類器件一般工藝復(fù)雜、造價(jià)昂貴、機(jī)械性能差、溫度敏感性高。相較而言，可溶液加工的有機(jī)半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的近紅外光探測(cè)器的制備。其軟物質(zhì)的特性同樣有利于將其應(yīng)用于柔性器件中，便于集成于可穿戴傳感器系統(tǒng)。

目前，對(duì)近紅外光具有光響應(yīng)性的有機(jī)光探測(cè)器仍然存在著光電轉(zhuǎn)化效率低和對(duì)極弱信號(hào)檢測(cè)能力不足的問題。為此，提高器件的外量子效率和抑制檢測(cè)條件下的的暗電流是進(jìn)一步提高有機(jī)光探測(cè)器性能的關(guān)鍵。