皮肤贴合型MHz高速有机光电探测器实现无角度限制的百米近红外通信

《Nature Communications》：Skin-conformal MHz-speed organic photodetectors for angle-free and long-range near-infrared communication

语 针对柔性近红外有机光电探测器（NIR-OPD）在机械形变下难以兼顾高速响应与高探测率的难题，本研究通过引入溴功能化PACz空穴传输层，构建了总厚度仅3μm的超薄器件，在790 nm波长下实现比探测率D*NEP达0.84×1014Jones，-3dB截止频率超1 MHz，并在66%压缩应变与4.90μm弯曲半径下保持性能。该器件贴附皮肤时可实现0–90°全角度信号接收，支持100米距离音频传输（误码率10-3），为可穿戴光通信系统提供了突破性解决方案。

　　

在当今可穿戴技术飞速发展的时代，如何实现高带宽、低功耗且能与人体自然融合的通信系统成为关键挑战。近红外有机光电探测器（NIR-OPD）因其可调光谱响应、低光操作兼容性和机械柔韧性，被视为皮肤集成光通信的理想组件。然而，传统高性能NIR-OPD依赖高结晶度活性层以实现快速电荷提取，但这往往以牺牲机械柔性为代价，导致器件在形变下出现裂纹或分层。更棘手的是，高速响应与高探测率在力学应力下难以兼得，严重限制了其在动态环境中的应用。

为突破这一瓶颈，韩国嘉泉大学、首尔大学及日本理化学研究所等团队在《Nature Communications》发表最新研究，提出一种基于溴功能化PACz（3-Br-4PACz）界面层的超薄柔性NIR-OPD。该器件总厚度仅3微米，在790纳米波长下比探测率（D*_NEP）达0.84×10¹⁴Jones，-3dB截止频率超过1 MHz，即使承受66%压缩应变或亚5微米弯曲半径仍保持稳定。当贴合皮肤时，器件可实现0–90°全角度响应，并成功接收100米外音频调制信号，误码率低至10^-3，首次在超薄柔性光电探测器中实现了速度与柔性的协同优化。

关键技术方法

研究通过分子工程设计三种PACz衍生物（2PACz、3-Br-4PACz、3,6-Br-4PACz）调控能级排列与表面能；采用倒置器件结构（Parylene-C/SU-8/ITO/ZnO/PM6:Y6/PACz/MoO₃/Ag），通过旋涂与蒸镀工艺制备超薄器件；利用飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）分析界面组分分布，结合密度泛函理论（DFT）计算分子偶极矩；通过时间延迟收集场（TDCF）测试电荷传输动力学，并构建皮肤贴合系统评估角无关通信与长距离传输性能。

研究结果

PACz界面层对光电与电荷传输特性的影响

通过能带分析发现，3-Br-4PACz在给体材料PM6与MoO₃空穴传输层间形成0.12 eV与0.13 eV的平衡能级差，促进空穴提取并抑制界面复合。表面能测试表明3-Br-4PACz处理后的MoO₃表面能最低（35.30 mN/m），有利于Y6受体在体异质结（BHJ）中均匀分布。DFT计算显示3-Br-4PACz分子偶极矩达4.77 Debye，其取向角（45.0°）强化了界面电场，加速电荷分离。最终3-Br-4PACz器件在790 nm处外量子效率（EQE）达74.17%，响应度0.47 A/W，比探测率D*_Dark为1.56×10¹⁴Jones。

近红外光照下的光电性能

在850 nm标准通信波长下，3-Br-4PACz器件线性动态范围（LDR）达168 dB，响应频率f_-3dB为1.06 MHz，上升/下降时间分别为777.0 ns与751.6 ns。通过缩小器件面积至0.01 mm²，电容降低使f_-3dB进一步提升至3.04 MHz，响应时间缩短至333.45 ns（上升）与313.81 ns（下降），证实面积缩放策略对高速操作的可行性。

近红外条件下的机械形变性能

器件在33%压缩应变下形成4.90 μm弯曲半径的褶皱结构，贴合皮肤皱纹尺度。剥离基板后，光电性能与电荷迁移率（3.84×10^–5cm²/V·s）未见衰减。在200%拉伸至0%应变循环中，f_-3dB始终保持在1 MHz以上，经1000次压缩循环后J_SC与V_OC仍稳定，证明其机械耐久性。

皮肤贴附近红外无线通信应用

将0.01 mm²器件贴附指尖时，其在0–90°入射角下光电流振幅保持初始值60%以上，眼图清晰且误码率低于前向纠错阈值，而玻璃基器件在60°以上通信失效。在100米距离下，采用4 mm²器件接收850 nm激光音频信号（20 Hz–20 kHz），暗环境中完整还原频响曲线；在500 lux环境光下，80米距离仍可识别信号，但背景噪声增加5 dB。

结论与展望

本研究通过分子界面工程与超薄器件架构，成功打破柔性NIR-OPD速度与机械稳定性间的传统权衡。3-Br-4PACz层优化的能级排列、分子偶极取向与界面形态控制，协同提升了电荷提取效率与噪声抑制能力。器件在极端形变下维持MHz级响应、宽角度无关性与百米级通信距离，为皮肤集成健康监测、人机交互及自由空间光通信系统提供了可行路径。未来通过替换脆性ITO电极进一步延长器件寿命，有望推动可穿戴光通信技术的实用化进程。