双模式窄带有机光电探测器实现NIR-I/NIR-II自对准成像的突破性研究

研究人员针对近红外(NIR-I/NIR-II)生物成像中传统无机探测器刚性大、需外置滤光片等问题，开发了基于电荷收集窄化(CCN)/双体异质结(BHJ)架构的偏压可切换双模式有机光电探测器(OPD)。该器件在正向偏压下实现814 nm窄带NIR-I检测(FWHM=38 nm，D*=6×1011 Jones)，反向偏压下获得1108 nm窄带NIR-II响应(50 mA/W)，光谱串扰<-30 dB，为无滤光片多光谱成像提供了新方案。

　　

在医疗诊断和生物成像领域，近红外I区(NIR-I, 700-900 nm)和II区(NIR-II, 1000-1700 nm)成像因其优异的组织穿透能力备受关注。然而传统硅基探测器需要笨重的带通滤光片实现光谱选择，严重制约了柔性设备发展。有机光电探测器(OPD)虽具材料可调、柔性加工优势，但有机半导体固有的宽吸收特性使其难以实现高性能双波段窄带检测，这成为制约其临床应用的关键瓶颈。

香港浸会大学的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，通过设计背对背堆叠的CCN/光电二极管型双体异质结(BHJ)结构，成功开发出偏压可切换的双模式窄带OPD。该器件采用3.5μm厚PM6:IT-4F前结实现CCN效应，配合670 nm厚PTB7-Th:COTIC-4Cl:Y6后结，通过光学模拟优化吸收分布，最终在1.0V正向偏压下获得814 nm窄带响应(FWHM=40 nm)，-1.0V反向偏压下实现1108 nm窄带检测(FWHM=63 nm)，光谱抑制比(SRR)达1027@580 nm。

研究主要采用三种关键技术：1) 光学仿真优化双BHJ厚度组合；2) 溶液法制备3.5μm超厚前结诱导CCN效应；3) 瞬态光响应测试分析动态特性。通过精确控制MoO₃(5nm)中间层作为共阳极，实现了双结的电学隔离与光学耦合。

研究结果揭示：

1. 光谱选择性响应：光学仿真显示>800 nm光子可穿透前结被后结吸收，形成NIR-II窄带响应。

   

2. 性能表征：NIR-I模式D*达6×10¹¹ Jones，NIR-II模式响应度50 mA/W，噪声谱密度4.4×10^-14 A/Hz^1/2@100Hz。

3. 成像验证：采用HKBU掩模实验证明，单一器件即可完成滤光片覆盖/未覆盖区域的自对准成像。

   

该研究突破性地解决了有机材料宽吸收与窄带检测的矛盾，提出的双BHJ架构具有高度设计自由度，可通过更换给受体组合拓展至其他波段。器件85 dB的动态范围和1.4 ms响应速度，为开发柔性内窥镜、便携式诊疗设备提供了新思路，对推动有机电子在精准医疗中的应用具有里程碑意义。