Nat. Photonics：基于非富勒烯受体共混物的近红外圆偏振光灵敏检测研究

摘要

摘要图
本研究提出了一种基于非富勒烯受体（NFAs）共混物的近红外圆偏振光（CPL）灵敏检测策略。通过引入手性分子（例如 R5011），结合混合溶剂旋涂技术，诱导非手性 ITIC 分子间的激子耦合，显著增强了共混薄膜的圆二色性响应（\(|g_{\text{abs}}| \approx 0.15\)）。这种策略在多个 NFAs 系列（如 ITIC 和 Y6 类）中均表现出高效的手性响应。优化后的有机光电二极管（OPDs）在 700 nm 光源下的探测度（\(\mathrm{D^*}\)）达到 \(1.07 \times 10^{13}\,\mathrm{Jones}\)，展示了其在夜视和自动驾驶等近红外光检测领域的广泛应用潜力。

关键词

  • 圆偏振光（CPL）
  • 非富勒烯受体（NFAs）
  • 圆二色性（CD）
  • 近红外光检测（NIR Detection）
  • 光电探测器（Photodetectors）
  • 共混薄膜（Blend Films）

研究背景

圆偏振光（CPL）检测是光通信、生物成像和光学传感的重要组成部分。然而，目前的有机半导体材料在近红外区域的 CPL 检测性能仍然较低。大多数基于手性分子的检测器材设计复杂，且灵敏度和选择性不足。近年来，非富勒烯受体（NFAs）因其优异的吸收性能和分子间强相互作用成为光电材料研究的热点。本研究通过在 NFAs 共混薄膜中引入手性添加剂，利用分子间激子耦合实现了高灵敏的 CPL 检测，特别是在近红外波段，为拓宽材料适用范围提供了新思路。

创新点

  • 提出了一种通过激子耦合增强非手性 NFAs 的圆二色性响应的新策略。
  • 在多个非富勒烯受体（如 ITIC 和 Y6 类）中验证了方法的广泛适用性。
  • 制备了性能优异的 CPL 光电探测器（CPL-OPDs），其探测度在近红外区域达到行业领先水平。
  • 实现了基于共混薄膜的灵敏 CPL 信号转化，同时保持器件的稳定性和高性能。

研究内容

通过引入手性分子 R5011，本研究在 ITIC 和其他非富勒烯受体（NFAs）共混薄膜中实现了显著的圆二色性（CD）响应。实验中，采用混合溶剂旋涂技术制备薄膜，并优化了溶剂和共混比例以获得最佳光学性能。光学表征显示，优化后的共混薄膜在 700 nm 波长下具有较强的圆二色性信号（\(|g_{\text{abs}}| \approx 0.15\)），其强度是传统手性材料的 75 倍。利用二维广角 X 射线散射（GIWAXS）分析了薄膜的分子堆积结构，发现手性响应来源于 ITIC 分子间的激子耦合，而非单分子手性特性。在光电器件制备方面，研究开发了一种基于 PEDOT:PSS/ITIC:R5011/PBDBT 的光电探测器（OPD），其在 700 nm 波长下的探测度（\(\mathrm{D^*}\)）达到了 \(1.07 \times 10^{13}\,\mathrm{Jones}\)。此外，该方法还被验证可用于其他 NFAs 系列材料的近红外 CPL 检测。

图1
图1 | 近红外 CPL 探测的光学与材料设计背景。

(a) 典型系统中 CPL 探测的工作原理，包含左旋 (LH) 和右旋 (RH) CPL 的光学信号转换机制。 (b) 各类材料在圆二色性 (CD) 活性区域的分布，包括本研究开发的手性非富勒烯受体混合物，覆盖 650–1,000 nm 的 CPL 探测区间。

图2
图2 | 手性和非手性 ITIC 混合薄膜的光物理表征。

(a) ITIC 和 R5011 的分子结构，以及 R5011:ITIC 混合物的薄膜吸收光谱和 CD 光谱，分别沉积于 CF 和 CF/CB 混合溶剂中。 (b) 不同薄膜的二维 GIWAXS 图像，显示 ITIC 分子在面内和面外的散射特性。 (c) ITIC 和其混合物的面外散射曲线，散射峰在 \( q = 17.5 \, \text{nm}^{-1} \) 处。 (d) ITIC 和其混合物的面内散射曲线，从 CF 溶剂沉积的薄膜无明显衍射峰，但混合溶剂沉积的薄膜显示 \( q = 4.83 \, \text{nm}^{-1} \) 的衍射峰。

图3
图3 | 手性 ITIC 装配结构的形成示意图。

(a) 用于描述分子间立体化学取向的 [P] 和 [M] 表示法示意图。 (b) [P] 和 [M] 二聚体的分子排列示意图。 (c) [P,P] 三聚体的分子排列示意图，显示连续的面内旋转链。 (d) [P,M] 三聚体的分子排列示意图，展示锯齿形排列。 (e) 两个 [P] 二聚体沿 ITIC \(\pi\)-\(\pi\) 堆叠的四聚体结构。 (f) [P,P,P] 四聚体的分子排列示意图，描述 ITIC 堆叠的连续面内旋转。

图4
图4 | 基于手性 ITIC 混合物的 CP-OPDs 光电特性。

(a) R/S5011:ITIC 和 R/S5011:ITIC:PBDBT 混合物的 CD 光谱及提取的 \( g_\text{abs} \) 值。 (b) R5011 混合物光电探测器的 J–V 特性，在暗态和非偏振光照条件下记录。插图显示细节曲线范围 \( -0.005 \, \text{V} \) 至 \( 0.005 \, \text{V} \)。 (c) R5011:ITIC:PBDBT CP-OPD 的线性动态范围 (LDR)，在 \( 0 \, \text{V} \) 下测量。 (d) R5011:ITIC:PBDBT CP-OPD 对 700 nm LED 的频率响应，频带宽度达到 120 kHz。 (e) R5011:ITIC:PBDBT CP-OPD 的特定探测度 \( D^* \) 计算结果，插图显示系统和光电二极管的噪声电流。 (f) R5011:ITIC:PBDBT CP-OPD 在 LH 和 RH CPL 照射下记录的光电流响应。

结论与展望

本研究通过在非富勒烯受体（NFAs）中引入手性添加剂，实现了近红外波段的高灵敏 CPL 检测。基于手性激子耦合的策略有效解决了传统 CPL 光电器件中存在的灵敏度低和波段限制问题。未来的研究方向包括进一步优化共混薄膜的制备工艺，扩展至更广的波长范围，并探索其在量子光学、生命科学和光通信领域的潜在应用。

论文直达

原文标题：Sensitive near-infrared circularly polarized light detection via non-fullerene acceptor blends

原文卷期号：Nature Photonics 2023, 17, 649–655

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