长春应化所刘俊团队开发出吸收波长超1000 nm的有机光电探测器受体材料

长春应化所刘俊团队开发出吸收波长超1000 nm的有机光电探测器受体材料

引用

澎湃

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https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_27127008

近日，中国科学院长春应用化学研究所刘俊课题组在近红外有机光电探测器领域取得重要突破。他们利用含共振硼氮键的BODIPY单元开发出窄带隙小分子受体FB-C6，其吸收边带可达1150 nm，光学带隙仅为1.07 eV。这一成果为高灵敏度近红外二区（NIR-II）有机光电探测器的开发提供了新的分子设计策略。

研究背景

近红外有机光电探测器因其柔性、轻质和易于集成等优点，在柔性电子和图像传感领域展现出广阔的应用前景。近年来，随着近红外有机受体材料的发展，探测范围在近红外一区（NIR-I, 700 nm1000 nm）的有机光电探测器性能大幅提升。然而，要实现高灵敏度的NIR-II（1000 nm1700 nm）光探测，亟需开发吸收波长超过1000 nm的窄带隙受体材料。

研究亮点

研究团队发现，共振硼氮键（N-B←N）单元能够显著降低有机分子的LUMO/HOMO能级，减小带隙。基于此，他们设计了以噻吩稠并BODIPY单元为核、环戊二噻吩为桥联单元、氟取代的双氰基茚满二酮为末端基团的A-D-A’-D-A结构分子FB-C6。该分子具有以下特点：

• 最大吸收峰位达到1019 nm
• 光学带隙低至1.07 eV
• 吸收范围覆盖300 nm至1158 nm
• LUMO/HOMO能级低至-3.99 eV/-5.37 eV
• 电子迁移率达3.84 × 10^-4 cm² V^-1 s^-1

图1. 窄带隙小分子受体FB-C6的化学结构和薄膜吸收光谱

应用验证

将FB-C6作为活性层的小分子受体组分，构筑了近红外有机光电探测器。实验结果表明：

• 响应范围可超过1100 nm
• 在970 nm处的响应度为0.29 A W^-1
• 在-0.1 V偏压下的暗电流为4.59 × 10^-8 A cm^-2
• 峰值比探测率为2.39 × 10¹² Jones
• 在1064 nm处仍保持1.60 × 10¹² Jones的高比探测率
• 线性动态范围达121 dB，与硅基光探测器相当

图2. 以FB-C6作为电子受体的有机光电探测器的（a）响应度；（b）暗态下的J–V曲线；（c）比探测率曲线；（d）波长为940 nm单色光下的线性动态范围。

总结

这项研究基于共振硼氮键开发了一类新型超窄带隙小分子受体材料，并成功应用于高灵敏度NIR-II有机光电探测器中。该工作为NIR-II有机光电探测器中窄带隙材料的开发提供了新的分子设计策略。相关成果发表在CCS Chemistry上，第一作者为王颖慧博士，通讯作者为刘俊研究员和苗俊辉助理研究员。研究得到了国家自然科学基金和吉林省自然科学基金的支持。

参考文献：
Yinghui Wang, Jiahui Wang, Junhui Miao,* Jun Liu,* Lixiang Wang. Using BODIPY Unit to Design Molecular Acceptors with Absorption Wavelength of > 1000 nm for Organic Photodetectors. CCS Chem., 2024, DOI: 10.31635/ccschem.024.202403865