有机光电探测器因其轻质、可变形及机械柔性等特性受到关注

研究背景

​随着人工皮肤、健康监测设备及可拉伸显示等可穿戴电子市场的快速发展，有机光电探测器因其轻质、可变形及机械柔性等特性受到广泛关注。有机半导体的分子可调性使其支持宽带探测，尤其在近红外传感领域具有重要应用价值。为了有效适应人体运动带来的复杂多向形变，下一代器件需要超越简单的柔性，向所有组成层均可任意方向拉伸的本征可拉伸有机光电探测器方向发展。

然而，目前已报道的本征可拉伸有机光电探测器在机械应变下普遍存在探测率显著下降的问题，这主要源于光活性层的机械脆性及其在形变过程中电荷传输路径断裂、陷阱态增加等因素，严重制约了其在可穿戴电子中的实际应用。本研究针对当前计算光谱仪中光谱编码器存在的带宽有限、光通量低等关键问题，提出并实现了一种基于高折射率过渡金属硫族化合物（TMDCs）的宽带高分辨率快照光谱仪。该光谱仪在可见光至短波红外波段表现出优异的光学调制能力，为实时、高精度光谱传感与成像提供了新的解决方案。

图1. IS光电探测器

图2. IS-OPDs中应变诱导增强的关键要求

核心创新点

本研究首次报道了一种在机械应变下探测率不降反升的本征可拉伸有机光电探测器。这一突破源于一种新型双层光活性结构的设计，该结构由底层的聚合物给体-弹性体双连续网络与顶层的近红外吸收小分子受体层构成。底层的聚合物给体与SEBS弹性体形成共连续网络，同时实现了优异的机械拉伸性与高效的电荷传输；顶层的小分子受体层则拓宽了探测范围至近红外区，并形成明确的给体-受体界面。基于这一设计，器件在75%应变下比探测率从1.9×10¹³ Jones提升至2.8×10¹³ Jones，考虑光活性面积增大后的探测率也提升了1.3倍，这是首次实验证实的应变诱导探测率增强现象。

图3. 伪自由支撑拉伸试验获得的应力-应变曲线

图4. 应变下的应力-应变曲线

工作机制

该探测器性能增强的机制源于以下几个方面。首先，底层中聚合物给体与SEBS弹性体形成的双连续网络提供了高效的电荷传输通道，同时弹性体作为机械框架可耗散应力。其次，在拉伸过程中，弹性体介导的限域效应促进了聚合物给体的分子有序排列与结晶性提升，X射线散射表征显示其结晶相干长度及相对结晶度均有所增加。这一结构演化有效抑制了陷阱态的形成，陷阱密度从3.9×10¹? cm?³降至2.6×10¹? cm?³，导致暗电流在75%应变下反而降低。同时，顶层小分子受体层的存在阻挡了外部空注入，进一步暗电流。瞬态光电压测试显示载流子寿命从0.507 ms延长至0.574 ms，证实了载流子复合的减少。综合效应使得器件在拉伸时保持了高响应度，同时降低了暗电流，从而实现了探测率的提升。

图5. 性能与应变关系

应用验证

研究系统评估了不同结构设计对器件性能的影响。与传统的本体异质结结构、弹性体置于顶层的双层结构及无弹性体的双层结构相比，所提出的底层弹性体网络结构在机械性能与光电性能上均展现出明显优势。该结构的光活性层裂纹起始应变达56.1%，远高于对照体系。基于此的刚性器件比探测率达3.4×10¹³ Jones（860 nm），线性动态范围为97 dB。在1000次30%应变的循环拉伸释放测试后，器件仍保持92%的初始探测率。该结构设计在PM6:Y6-BO及D18:L8-BO等其他给体-受体体系中同样验证了其有效性，展现了良好的普适性。这项工作为可穿戴近红外传感器的设计提供了新的思路。

参考文献： 中国光学期刊网

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