基于非富勒烯受体的极化激元实现高响应度无角度依赖性有机窄带红外光电二极管

这篇综述创新性地报道了首例基于非富勒烯受体（NFA）的极化激元有机光电二极管（polariton OPD），通过强激子-光子耦合实现了965 nm处0.24 A W-1的创纪录响应度，同时具备小于30 nm的半高宽（FWHM）和±45°范围内低于15 nm的角度色散。该研究为开发兼具优异光电性能和角度不敏感特性的新一代窄带红外探测器提供了新思路。

　　

窄带红外有机光电探测器在传感、成像和光谱学应用中需求迫切，特别是在需要微型化的可穿戴设备领域。然而现有窄带检测策略存在明显局限：基于电荷收集效率（CCN）的方法需要超过500 nm的厚活性层，而微腔（MC）方案则存在强烈的角度色散问题。这项研究通过激子极化激元（polariton）模式成功解决了这些技术瓶颈。

在器件设计方面，研究团队采用PTB7-Th:IEICO-4F作为活性层材料，构建了玻璃/ITO/Ag/MoO₃/BHJ/C₆₀:LiF/Ag的器件结构。选择IEICO-4F非富勒烯受体（NFA）是因其在近红外区域具有高振子强度和良好的薄膜形态。通过精确调控微腔参数，实现了激子与腔模的强耦合，形成具有混合特性的极化激元态。

光学特性表征显示，该极化激元OPD在945 nm器件中表现出明显的上、中、下三个极化激元分支，通过耦合谐振子（CHO）模型拟合得到拉比分裂能为0.57 eV和0.31 eV。特别值得注意的是，下极化激元（LP）分支中IEICO-4F的激子贡献达到约60%，这种高激子含量显著增加了极化激元的有效质量，从而实现了类似激子的光学响应。

电学性能测试结果令人振奋：在965 nm波长和-2 V偏压下，器件响应度达到0.24 A W^-1，创下了该波段有机窄带探测器的记录。同时，器件展现出优异的窄带特性，半高宽小于45 nm。角度分辨测量表明，在±45°的接收锥内，响应峰偏移仅为9-16 nm，远优于传统微腔增强型OPD。研究人员将这种角度不敏感性归因于极化激元模式中增加的激子含量。

动态性能测试显示，该极化激元OPD在-2 V偏压下的上升时间为1.6 μs，下降时间为1.1 μs，截止频率达到412 kHz，完全满足快速成像应用需求。虽然器件的暗电流密度为9.29×10^-7 A cm^-2（-2 V），但研究人员指出这主要源于空穴和电子阻挡层未优化，通过后续材料工程还有提升空间。

与参考器件相比，极化激元OPD不仅实现了窄带响应，而且所有关键性能指标都与宽带参考器件相当甚至更优。这表明极化激元的引入不会损害器件的基础性能，反而能带来额外的光电增益。研究人员特别强调，通过将模式调谐到活性材料的低吸收区域，可以进一步增强窄带极化激元效应和角度稳定性。

这项研究的重要意义在于：首次将极化激元效应成功应用于有机光电二极管，实现了性能突破；开发出兼具高响应度和角度不敏感性的窄带红外探测器；为非富勒烯受体材料在极化激元器件中的应用开辟了新途径。未来通过分子设计调整NFA的吸收特性，该技术有望进一步拓展到可见光和更宽的红外区域。

在展望部分，作者指出极化激元OPD代表了一种极具前景的器件构型，其中极化激元效应可以带来显著的性能提升。这项工作为开发高性能、角度不敏感的极化激元光电器件奠定了基础，在成像、传感和光谱学等领域具有广阔应用前景。