用于有机光电二极管的非富勒烯受体的π-桥工程：将近红外响应范围扩展至1200纳米以上

《Advanced Functional Materials》：π-Bridge Engineering of Nonfullerene Acceptors for Organic Photodiodes: Extension of the Near Infrared Response Beyond 1200 nm

高特异性近红外光电二极管通过π桥工程调控非富勒烯受主设计实现，在1050 nm处检测度达3.43×10^11 Jones，响应频率58.6 kHz，并成功应用于光电脉搏波监测和光无线通信原型。

　　在当前的科学研究中，有机光电探测器（OPD）因其独特的性能和广泛的应用前景而受到高度重视。OPD是一种能够将光信号转化为电信号的设备，其核心部分由有机半导体材料构成。相比传统的硅光电探测器（Si PDs），OPD具有更大的灵活性、更易于实现大面积制造、具备溶液加工的优势以及成本更低等特性。这些特点使其在多个领域展现出巨大的潜力，包括军事监控、安全防护、生物医学成像、药物诊断以及光无线通信等。

近年来，研究人员对近红外（NIR）区域的光探测技术进行了深入探索。NIR波段的光具有更强的组织穿透能力、更少的光散射和更高的信噪比，这使得其在生物医学应用中尤为关键。特别是在NIR-I区域（750–1000 nm）已有大量研究，但NIR-II区域（1000–1700 nm）的探索相对较少。NIR-II波段的光在穿透深度和信号稳定性方面具有显著优势，因此成为科研人员关注的焦点。然而，如何实现高效、低噪声的NIR-II OPD仍是挑战之一。

为了突破这一瓶颈，科学家们开始关注非富勒烯受体（NFAs）的设计与优化。NFAs通常具有A-D-A或A-π-D-π-A的分子结构，这种结构可以有效地调控NIR波段的吸收特性。通过系统地研究π桥接结构对NFA性能的影响，研究人员发现，π桥接结构的优化可以显著提升ICT（分子内电荷转移）效应，从而改善能量级调控和分子聚集行为。这一发现为开发高性能的NIR-II OPD提供了新的思路。

在本研究中，科学家们设计并合成了三种具有不同π桥接结构的NFA分子：FCTT2-F、FCTCN-F和FCCN2-F。通过对这些分子的光谱和电化学性能进行分析，他们发现，随着π桥接结构的改变，光学带隙逐渐减小，从1.12 eV降低至1.05 eV，从而实现了对更长波长光的吸收。此外，分子聚集行为也被有效抑制，这有助于提高光电器件的响应效率并减少非辐射复合。通过这些优化，研究人员成功开发出了一种具有高响应率和低噪声电流的NIR-II OPD。

这种新型OPD在1050 nm波长下表现出优异的性能，其总噪声限制的特定探测率（D^*_total）达到了3.43 × 10¹¹ Jones，而-3 dB截止频率（f_-3dB）则为58.6 kHz。这些数值表明，该OPD不仅具有较高的灵敏度，而且具备快速的响应能力，能够在较长的波长范围内实现高效的光电转换。同时，该OPD还表现出较低的暗电流密度，进一步验证了其在低偏压条件下的优越性能。

研究人员进一步探讨了这种OPD在实际应用中的潜力。在生物医学领域，OPD被用于开发光脉搏描记（PPG）传感器，以实现对生理信号的实时监测。传统的绿色PPG传感器存在一些局限性，如视觉疲劳、检测深度受限于表皮层以及在运动过程中测量可靠性较低。而基于NIR波段的PPG传感器则能够有效克服这些问题，提供更深层的组织穿透能力，减少视觉干扰，并提高在动态环境下的测量精度。在本研究中，FCCN2-F基OPD在1050 nm波长下成功实现了这些目标，表明其在生物医学传感领域具有广泛的应用前景。

此外，研究人员还测试了该OPD在光无线通信系统中的性能。通过将编码的二进制ASCII字符信号调制在1050 nm LED上，并使用OPD进行接收，他们成功解码了“O”、“P”和“D”等字符，证明了该OPD在光信号传输方面的有效性。这一成果展示了其在光无线通信中的应用潜力，尤其是在需要低功耗、小型化和无线传输的场景中。

除了光电性能的优化，研究人员还评估了该OPD在实际环境下的稳定性。在25°C、相对湿度50%的空气中，持续使用1050 nm LED照射并施加-2 V偏压的条件下，该OPD能够稳定地工作超过24小时，表明其在实际应用中具有良好的耐久性和可靠性。

本研究的成果为开发高性能、低功耗的NIR无线生物传感设备提供了新的思路。通过优化NFAs的π桥接结构，研究人员成功实现了对NIR-II波段的高效探测，并验证了其在PPG传感和光无线通信中的实际应用潜力。这些结果不仅展示了π桥接工程在NFAs设计中的重要性，也为未来的生物医学应用和光通信技术的发展提供了重要的技术支持。

总的来说，这项研究揭示了π桥接结构在调控NFAs性能中的关键作用，并展示了其在NIR-II波段OPD中的应用潜力。通过系统性的设计和优化，研究人员不仅提升了OPD的光电性能，还验证了其在实际场景中的可行性。这些成果为未来在生物医学、安全监控和光通信等领域的进一步研究奠定了坚实的基础。