《先进材料》高效近红外光探测器助力光电容积脉搏检测

来源：高分子科学前沿

近红外光通常指750 nm至1400 nm的电磁波。其在电磁辐射光谱中紧邻可见光的红光波段，属于短波长的一段红外线。虽然看不见、摸不着，但近红外探测在许多技术中都有着重要作用。例如，自动化控制、夜视监控、生物荧光显影、红外线摄影等都需要高效的红外光探测器。近红外光探测器通常依赖于单晶硅、锗、硒化铟/镓等窄禁带的无机半导体材料。然而，该类器件一般工艺复杂、造价昂贵、机械性能差、温度敏感性高。相较而言，可溶液加工的有机半导体可实现高性价比的近红外光探测器的制备。其软物质的特性同样有利于将其应用于柔性器件中，便于集成于可穿戴传感器系统。

目前，对近红外光具有光响应性的有机光探测器仍然存在着光电转化效率低和对极弱信号检测能力不足的问题。为此，提高器件的外量子效率和抑制检测条件下的的暗电流是进一步提高有机光探测器性能的关键。近日，加州大学圣塔芭芭拉分校高分子及有机固体研究所的团队在国际权威期刊《Advanced Materials》上发表了题为“A High‐Performance Solution‐Processed Organic Photodetector for Near‐Infrared Sensing”的研究工作。论文第一作者为博士研究生黄健飞，通讯作者为Thuc-Quyen Nguyen教授和Guillermo C. Bazan教授。研究工作展示了一类基于新型窄禁带非富勒烯电子受体的高效近红外有机光探测器。得益于其出色的光电转化和快速检测响应能力，此光探测器经封装可用于无创的光电脉容积脉搏波的实时监测。

光探测器的活性层材料对光响应性至关重要。作者选用有机高分子半导体PTB7-Th作为电子供体材料，结合一种新型的窄禁带（~1.2 eV）非富勒烯小分子作为电子受体材料CO1-4Cl（图1a），构筑了光探测器体异质结的活性层，使其获得了良好的可见光—近红外吸收光谱（图1b）。PTB7-Th和CO1-4Cl的能级形成了典型的相互交错间隙关系（图1c），有利于光生激子在供体—受体界面的有效电荷分离。对于两种活性层厚度的光探测器，在0.1 V的小逆向偏压下即可在红光致近红外区域获得60%—70%的外量子转化效率（图1d）。相较于其他文献已报道的基于有机p-n结的非增益型光探测器，该工作的光探测器具有更优异的近红外光响应性（图1e）。

图1. 光检测器活性层材料的有机半导体的(a)化学结构和(b)薄膜吸收光谱；(c)光探测器件基本结构和能带结构示意图; (d)光探测器的光响应性和外量子效率；(e)本文与其他文献的最高光响应性的比较。

在极弱信号检测的应用中，限制因素往往来自于暗电流引起的噪音信号。为了抑制暗电流和噪音信号，作者通过“厚异质结策略”，使厚活性层的器件在2伏特的逆向偏压下获得了纳安每平方厘米级别的低暗电流（图2a）。这样低的暗电流得益于对空间电荷限制电流的有效抑制（图2b-c）。结合之前所述的高光响应性，即便在较大逆向偏压下（2 V）同样能保持10^12 Jones的比探测率（图2d-e）。也就是说，其能检功率密度低至约几皮瓦每平方厘米（小于AM 1.5G太阳光功率密度的百亿分之一）的极弱的940 nm近红外光信号。

图2 . (a)光探测器的光电流和暗电流；(b)厚活性层和(c)薄活性层的光探测器校正电流密度与逆向偏压的关系；(d) 薄活性层和(e)厚活性层的结光探测器的探测率

作者进一步将制备的光探测器应用于光电容积脉搏波法（图3a）。该方法中，首先以一束近红外光照射人体部分（通常为手指），再通过光探测器收集并检测透射/反射的近红外光（图3b-c）。由于血管在心动周期中舒张和收缩导致光吸收/散射的变化，可获得心率、心率变异性等有用的临床医疗信息。

图3. (a)光电容积脉搏波检测的基本原理；(b)通过基于本文光探测器的光电容积脉搏波法检测的(b)正常与(c)运动后的脉搏信号

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906027