综述：圆偏振光探测器用手性有机半导体的研究进展

《Science Bulletin》：Research progress of chiral organic semiconductors for circularly polarized light detectors

　　

摘要

圆偏振光（CPL）探测器在磁记录、自旋光通信、生物传感和量子计算等领域具有重要应用前景。传统CPL探测器严重依赖体积庞大且复杂的外部光学元件，难以满足器件集成化、微型化、柔性化以及高效化的需求。值得注意的是，手性有机半导体具备直接分辨CPL的本征能力，加之其性质易于调控、可溶液加工、固有柔性等优势，已成为CPL探测器的有力候选材料。然而，手性有机半导体的发展面临巨大挑战，原因在于材料内部载流子迁移率与吸收不对称因子之间存在本征权衡。令人鼓舞的是，大量工作致力于解决这一矛盾，推动了一系列高性能手性有机半导体的开发。本文从材料创新、器件工程和先进应用的角度及时总结了代表性进展，并讨论了当前面临的挑战和新兴机遇。本文旨在为手性有机半导体的发展提供明确的指导，并促进高性能CPL探测器及其应用的探索。我们希望本文能激发广泛的跨学科兴趣，加速手性光电子领域的发展。

引言

偏振是光的基本性质之一，它将光学信息编码在电场的方向和大小上。通过扩展信息载体至七个维度，包括偏振度/方位角/椭圆率和旋转方向，可以实现物体识别、对比增强、导航和通信等高级功能[1], [2], [3]。特别是，圆偏振光（CPL）是一种独特的光学波，携带自旋角动量信息，其电场大小保持恒定，而方向在平面内以恒定速率持续旋转，在磁记录、自旋光通信、生物传感和量子计算等领域展现出巨大应用潜力[4], [5], [6], [7]。实现这一潜力的关键在于CPL探测器，它能够区分CPL的手性并将其转换为可读的电信号以供信息处理。然而，传统CPL探测器严重依赖线偏振片和四分之一波片等体积庞大且复杂的外部光学元件，这限制了器件的集成化、微型化和柔性化。此外，光通过光学元件传输会引入能量损耗并降低信噪比，最终损害成像质量[8], [9], [10]。手性半导体具备直接分辨CPL的本征能力，这为无需依赖外部光学元件来优化CPL探测器结构提供了有效途径，在推进CPL探测器及相关应用的发展方面展现出巨大前景，引发了该领域日益增长的兴趣[11], [12]。

目前，各种新兴手性半导体平台已被广泛探索用于直接CPL探测。手性卤化物钙钛矿因其强光吸收、优良电荷传输特性、可溶液加工性及自旋相关特性而备受关注[13], [14], [15], [16]；然而，铅毒性、离子迁移和环境不稳定性仍是主要顾虑[9], [17]。无机半导体因其卓越的稳定性、可调带结构和优良载流子传输特性，成为CPL探测的有力平台[18]。然而，将手性引入刚性无机晶格仍然具有挑战性，通常需要模板辅助的手性转移或特定结构设计[10], [19]。

值得注意的是，手性有机半导体具有高度可定制化的分子结构、易于调控的性质、可溶液加工性、固有柔性和生物相容性等独特优势，已成为推进CPL探测器及其应用的有力候选材料，尤其在柔性生物相容光电子领域[20], [21], [22], [23], [24]。载流子迁移率和吸收不对称因子（g_abs）是评估手性有机半导体用于CPL探测性能的关键参数。载流子迁移率决定了电荷传输和后续提取的效率，这对于实现高光电流和整体器件响应度至关重要[25]。同时，高的g_abs确保稳健的本征手性光学分辨，是高效CPL探测的前提条件[26]。然而，这两个参数之间存在本征权衡，即平面性-螺旋性困境。最大化g_abs通常需要高度扭曲的分子构象或位阻较大的取代基以诱导强烈的空间不对称性，这不可避免地破坏了高效电荷传输所需的共平面π-π堆积，导致迁移率严重受损，使高性能手性有机半导体的开发面临严峻挑战[27], [28], [29]。过去几十年，大量工作致力于解决这一矛盾，推动了一系列高性能手性有机半导体的开发。材料层面的进展催化了CPL探测器的快速发展。利用微腔干涉效应和界面自旋滤波等机制，最先进的CPL探测器光电流不对称因子（g_ph）高达1.67，探测率D\*高达10¹⁶ Jones[30], [31]。此外，手性有机半导体已成功集成到有机电化学晶体管（OECTs）中。利用离子-电子耦合的体积电容机制，这些器件成功模拟了突触可塑性行为，如长时程增强，并已应用于人工神经网络中的图像识别，为类脑视觉系统的发展奠定了硬件基础[32]。已有若干相关综述总结了CPL探测器的发展[1], [8], [9], [10], [33]。在此基础上，本综述系统总结了手性有机半导体、CPL探测器和先进应用的代表性进展，特别关注g_abs与电荷传输之间的平面性-螺旋性困境，以及手性有机半导体内的光谱调控。同时也提供了该领域的当前挑战和未来发展方向。

各节摘要

本征手性：主链工程和侧链工程

如图1a所示，手性有机半导体的简化设计原则是将手性基元与π共轭骨架整合，从而破坏电子跃迁的空间对称性，诱导显著的圆二色性（CD）。同时，多通道分子间相互作用（如π-π堆积、氢键和范德华力）不仅促进了从分子到超分子水平的手性转移，从而放大

外源手性：手性诱导和对称破缺

与经典策略将本征手性引入主链或侧链不同，手性诱导或对称破缺在非手性共轭半导体中诱导显著的手性光学响应（图2a, b），这将手性光学活性与电荷传输解耦，规避了分子设计和合成的困难，并允许最大化利用分别具有手性光学活性和电荷传输性能的材料体系[69], [70], [71],

手性有机半导体的光谱调控和手性光学评估

光谱响应区域是其应用于特定光电子场景的决定性因素。因此，带隙工程对于精确调控光谱响应以满足多样化光电子应用需求至关重要。如图3a所示，通过化学和物理策略[82], [83], 从根本上实现最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占据分子轨道（LUMO）之间能隙的调控。

高性能CPL探测器及其应用

具有多样化光谱响应的手性有机半导体的发展显著推进了CPL探测器的发展和应用探索。光电流不对称因子g_ph是评估CPL探测器最重要的参数之一，其定义为g_ph = 2(I_L ? I_R)/(I_L + I_R)，其中I_L和I_R分别为左旋和右旋CPL照射下的光电流。值得注意的是，在相同入射光强下，响应度

结论与展望

本综述系统总结了手性有机半导体和CPL探测器研发的研究进展。尽管取得了显著进步，该领域仍面临若干关键挑战：(i) 兼具高载流子迁移率和高g_abs的手性有机半导体材料体系仍然有限，尤其是聚合物，这限制了高性能、可溶液加工CPL探测器及柔性应用的发展[27], [29], [39], [58]。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52233010、52522311、52103245和T2441002）、中国科学院青年科学家基础研究项目（YSBR-053）和北京分子科学国家实验室（BNLMS-CXXM-202012）的支持。

作者贡献

刘翠云和谢子怡对本工作贡献相同。刘翠云和谢子怡撰写了手稿。李清斌参与了图形制作。董焕力进行了概念化、监督和写作审阅。所有

刘翠云|谢子怡|李清斌|董焕力