实验室段春晖教授团队：大偏压工作条件下具有超低暗电流密度的短波红外有机光电探测器

短波红外光探测在生物成像、工业检测和光通信等领域具有重要应用前景。与传统无机探测器相比，有机光电探测器具有材料结构可调、可溶液加工和柔性兼容等优势。然而，集成于读出电路的商用光电探测器通常需要在反向偏压下运行。如何克服这一工作条件带来的暗电流升高问题，实现低噪声探测，是其迈向实际应用的重大挑战。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室段春晖教授团队设计并合成了一种新型窄带隙p型共轭聚合物PDCBT-DTO2F，并通过形貌调控与器件界面工程的协同优化，构筑了在偏压工作条件下具有超低暗电流密度的短波红外有机光电探测器。

该工作设计并合成了一种新型窄带隙p型共轭聚合物PDCBT-DTO2F（图1）。该聚合物以二氰基取代苯并噻二唑为受体单元、四噻吩为给体单元，构筑了典型的推拉型共轭骨架。通过将烷基侧链替换为烷氧基侧链，不仅增强了分子内电荷转移效应，还利用多重非共价相互作用提高了主链共平面性和分子堆积有序度，从而实现了强短波红外吸收、高结晶性、低陷阱态密度和低能量无序的协同优化。

在此基础上，通过精细调控活性层厚度并引入空穴阻挡层，协同抑制反向偏压下的外部载流子注入和漏电流。优化后的PDCBT-DTO2F基有机光电探测器表现出优异的暗电流抑制能力，其暗电流密度（Jd）在−2 V下低至15.6 nA cm−2，即使偏压增大至−5 V，仍仅为58.1 nA cm−2。得益于超低暗电流和有效的短波红外光响应，器件在1100 nm、−2 V条件下实现了1.04 × 1012 Jones的比探测率，处于偏压工作条件下短波红外有机光电探测器的国际领先水平。

图1. 窄带隙聚合物的分子设计及其高灵敏短波红外光探测器

进一步的应用验证表明，该器件可用于短波红外成像、光通信和生理信号检测，展现出在成像传感、信息传输和健康监测等领域的应用潜力。该工作通过分子聚集态调控与器件界面工程的协同设计，为兼顾短波红外响应与偏压下低暗电流提供了新的材料体系和技术路径。

相关研究成果以“Short-Wave Infrared Organic PhotodetectorsWith Ultralow Dark Current Density Under Biased Operating Conditions”为题发表在Advanced Materials上，其中通讯作者为华南理工大学段春晖教授、尹冰艳博士以及大湾区大学刘莎研究员，华南理工大学博士生刘康哲、硕士生罗湘和尹冰艳博士是该论文的共同第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技计划项目、广东省基础与应用基础研究基金、中国博士后科学基金及广州市科技计划项目等科研项目的资助。