互补性花菁染料的协同应用实现宽谱近红外吸收薄膜的突破性进展

针对CMOS图像传感器中传统NIR滤光片存在角度依赖性及窄谱覆盖问题，研究人员通过合成苯并[cd ]吲哚取代的花菁染料，结合弱配位阴离子(BARF)提升热稳定性，构建了覆盖700–1100 nm的宽谱NIR吸收薄膜。该研究为高精度光学传感器提供了新型材料解决方案。

　　

在当今数字成像技术飞速发展的背景下，CMOS图像传感器作为"电子视网膜"的核心部件，其性能直接决定了拍摄画面的质量。然而，这些硅基传感器存在一个令人头疼的问题——它们对近红外光(NIR)过于敏感。就像戴着夜视镜看世界，普通照片会蒙上一层不自然的红色调。传统解决方案是使用多层无机薄膜(TiO₂
/SiO₂
)制成的布拉格反射镜滤光片，但这种技术存在明显缺陷：不仅制造工艺复杂，更糟糕的是其过滤效果会随着光线入射角度的变化而波动，就像百叶窗在不同角度会漏光一样。

有机染料滤光片被视为潜在的替代方案，但现有染料要么"胃口太大"连可见光都吸收，要么"挑食"只能覆盖部分近红外波段。在众多候选材料中，七甲川花菁染料(HMC)因其尖锐的吸收峰和高可见光透过率脱颖而出，但它们也存在两大短板：热稳定性差容易"中暑分解"，分子间强烈的π-π相互作用会导致"扎堆"聚集，就像演唱会散场时拥挤的人群，严重影响光学性能。

为解决这些难题，三星电子合作项目支持的研究团队在《Progress in Organic Coatings》发表了一项突破性研究。他们巧妙地采用"组合拳"策略：首先通过密度泛函理论(DFT)计算指导设计染料分子结构，合成三种不同meso位取代的苯并[cd
]吲哚花菁染料；接着引入立体位阻巨大的BARF阴离子作为分子"保镖"，既防止染料分子聚集又提升热稳定性；最终将三种染料像调色板一样精准配比，制备出覆盖整个700-1100 nm波段的NIR吸收薄膜。

光学表征
紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)光谱分析显示，BARF阴离子交换使摩尔吸光系数(ε)显著提升而不改变最大吸收波长(λ_max
)。其中Cy-5np和Cy-5db染料因氮连接meso取代基形成双偶极电子结构，在800-950 nm区间展现出独特的"桥梁式"吸收，填补了常规染料的空白区域。

热稳定性分析
热重分析(TGA)证实分子平面性是决定稳定性的关键因素。含环己基的Cy-5ch染料因其非平面结构展现出最优异的热稳定性，在150°C下保持稳定，完全满足薄膜加工工艺要求。

薄膜性能
通过将三种染料按特定比例分散在环烯烃聚合物基质中，研究人员成功制备出在700-1100 nm区间具有连续、均匀吸收的滤光薄膜，可见光透过率超过85%，且无明显角度依赖性。

这项研究的意义不仅在于解决了CMOS传感器色彩失真的技术难题，更开创性地建立了"分子结构-光谱特性-热稳定性"的构效关系模型。特别是提出的双偶极电子结构设计理念，为开发新型宽谱吸收材料提供了理论指导。BARF阴离子的成功应用也为解决有机光电材料的聚集问题提供了普适性方案。从产业化角度看，这种可溶液加工的有机滤光薄膜，相比需要真空镀膜的无机多层膜，大幅降低了生产成本，对推动成像设备的小型化和普及化具有重要意义。

值得注意的是，研究还发现染料分子平面性与热稳定性存在反比关系——这就像建筑设计中，越是对称规整的结构抗震性反而可能越差，为后续材料优化提供了有趣的思考方向。随着虚拟现实、自动驾驶等新兴技术对图像传感器要求的不断提高，这类可定制光谱特性的智能滤光材料必将发挥更大价值。