天津大学/吉林大学AFM：有机半导体偏振光探测器——开启下一代光电子技术的“新钥匙”

在智能时代的步伐不断加快的今天，光电技术正向着更小型化、更集成化和更高性能化的方向发展。其中，偏振光探测技术作为获取物体特征信息的关键手段，正变得越来越重要。近日，相关综述工作以“Organic Semiconductor-Based Polarized Photodetectors for Next-Generation Optoelectronics”发表在《Advanced Functional Materials》上，为我们揭开了有机半导体偏振光探测器在未来光电领域的应用潜力，天津大学硕士生张明和天津大学博士生武显硕为共同第一作者，天津大学杨方旭教授、孙玲杰副教授、魏玉萍教授和吉林大学丁然教授为共同通讯作者。

1.偏振光探测器：光的“指纹”探测器

光作为一种电磁波，其偏振状态是光波振动方向的特性。当光与不同介质相互作用时，其偏振状态会发生改变，就像光在通过偏振镜片时，只有特定方向振动的光能够透过。这种偏振信息的改变，为我们提供了关于物体特征的独特信息，是传统光强和波长测量无法获得的。因此，偏振光探测器在生物医学成像、光学通信、遥感探测等领域具有极其重要的应用价值。

然而，传统的偏振光探测器大多依赖于外部偏振元件与非偏振敏感的光电探测器或电荷耦合器件的组合，这种结构不仅体积庞大、难以集成到微型化设备中，而且在光通过偏振元件时还会造成能量损耗，降低信号质量。随着可穿戴电子设备、物联网等技术的兴起，人们对小型化、高性能、多功能的偏振光探测器的需求日益迫切。

1. 2.有机半导体：偏振光探测器的新选择

有机半导体材料因其独特的光电性能和结构可设计性，在光电子领域展现出了巨大的应用潜力。与传统的无机半导体相比，有机半导体具有高吸收系数、可调节的带隙、良好的柔韧性以及低成本等优点。更重要的是，通过精确的分子设计和工程，可以实现有机半导体的光学各向异性，使其对偏振光产生响应，而无需额外的偏振元件。这为解决传统偏振光探测器的局限性提供了新的思路和方法。

2.1有机单晶：高效的偏振光探测材料

有机单晶因其独特的分子排列和晶体结构，展现出显著的光学各向异性，能够高效地感知偏振光。这些材料通过其内在的分子取向，能够直接区分不同方向的偏振光，无需额外的偏振元件。这种特性使得有机单晶成为偏振光探测的理想材料。例如，DPA单晶在紫外光区域表现出极高的偏振吸收各向异性，其偏振各向异性比接近4.0。基于DPA单晶的偏振光探测器实现了1.9的光电流各向异性比，显示出极高的偏振灵敏度。此外，DTT-8单晶也表现出优异的偏振吸收性能，其光电流各向异性比达到3.15，且在紫外光区域展现出高灵敏度和低暗电流。还有其他有机单晶材料，如Tips-Pentacene和Ph-BTBT-C10等，也通过其独特的分子结构实现了高效的偏振光探测。(Adv. Mater., 2022, 34, 2105665.；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2024, 16, 23634-23642.; Adv. Mater., 2022, 34, 2200928.; Adv. Mater.,2024, 36, 2409550.)

图1. 有机单晶材料及其线偏振探测性能。a) 大面积DTT-8单晶的光学图像。b) 角度分辨吸收光谱等高线图。c) DTT-8单晶的偏振性能极坐标图。d) BPTTE单晶的光学和AFM（插图）图像。e) BPTTE单晶分子的堆叠图。f) BPTTE的光电流随偏振角度变化的极坐标图。g) Alq3MWC阵列的荧光图像。h) 柔性阵列的演示。i) 极坐标图。

2.2共轭聚合物：灵活的偏振光探测材料

共轭聚合物因其分子链的π-π堆叠特性，可以通过机械摩擦或应变对齐等方法实现平面内光学各向异性。例如，通过单向摩擦处理的P3HT层展现出高达14.3的偏振二向色吸收比。此外，通过应变对齐的聚合物薄膜也表现出显著的偏振响应，如PCDTFBTA在200%应变下实现了高达8.0的光电流二色比，并展现出优异的光响应性能。（Adv. Mater., 2011, 23, 4193-4198.；Acs Materials Letters, 2024, 6, 3071-3079.）

图2. 共轭聚合物材料及其线偏振探测性能。a) 摩擦共轭聚合物的制备工艺示意图。b)准双层P3HT-PC60BM薄膜的偏振吸收。c) 具有半透明电极的倒置准双层OPV器件的二向色J-V图。d) 应变前后PNTB6-Cl变化示意图。e) 100%应变PNTB6-Cl: Y6薄膜的交叉偏光显微镜（CPOM）图像。f) 相对响应度-偏振角偏振图。g) 全聚合物BHJ薄膜制备工艺示意图。h) BHJ膜的POM图像。i) TQ1: PNDI-TFx电流偏振角图（x = 5、10、15）。

2.3手性材料：圆偏振光探测的关键

2.3.1手性小分子：高效的圆偏振光响应材料

手性小分子因其独特的结构，能够高效地响应圆偏振光。例如，某些手性小分子（如螺旋烯类化合物）在特定波长下可以显著区分左旋和右旋圆偏振光。这种能力使它们成为理想的圆偏振光探测材料，可用于开发高灵敏度的光学传感器。

图3. 手性有机小分子材料及其性能。a)手性有机半导体1-aza[6]螺旋烯的结构。b) 1-aza[6]螺旋烯的CD光谱。c) 有圆偏振光照射和无圆偏振光照射时(+)-1-aza-[6]螺旋烯的ID-VG图。d) PDIs结构示意图。e) 估计不同厚度的gabs值。f) 730 nm CPL照明下3a-P/M基OFET的ID-t图。g) 手性NTPH-P的结构图。h) 基于NTPH-P/ DPA的柔性OFET的配置。

2.3.2手性共轭聚合物：稳定的圆偏振光探测材料

手性共轭聚合物通过分子链的π-π堆叠和手性中心的设计，能够实现对圆偏振光的高效响应。这些聚合物不仅展现出高效的圆偏振光吸收能力，还具有良好的稳定性和可加工性，使其在实际应用中具有显著优势。例如，手性聚酰亚胺不仅展现出高效的圆偏振光吸收能力，还具有良好的稳定性和可加工性。这种材料在宏观应用中展现出巨大的潜力，可以用于开发高性能的圆偏振光探测器。这种材料的高效圆偏振光吸收能力使其在宏观应用中展现出巨大的潜力。

图4. 手性共轭聚合物及其圆偏振探测性能。a) 手性TADF聚乙炔的化学结构。b)激子分离机理示意图。c) LCPL和RCPL照明下器件的ID-t曲线。d) 手性二维COF(CityU-7)的结构。e) 基于CityU-7的偏振光电探测器搭建示意图及其在LHC和RHC偏振光下的性能差异。f) 具有氢键相互作用的P3CT/BN杂化体系的化学结构。g) 证明了P3CT/BN杂化膜对CD信号的放大效应和偏振吸收。h) 和i) P3CT/ BN基光电二极管的器件结构及其光响应。

2.3.3手性超分子：动态调控的圆偏振光探测材料

手性超分子通过非共价相互作用自组装形成具有手性结构的材料，展现出独特的光学性质。例如，某些手性超分子能够在溶液中自组装成具有高度有序的手性结构，展现出高效的圆偏振光吸收能力。这种材料不仅具有良好的光学性能，还能够通过外部刺激实现动态调控。这种材料的高效圆偏振光吸收能力使其在智能材料领域展现出巨大的应用潜力。

图5. 手性超分子材料及其性能。a) 混合对映体体系中自分选现象示意图。b) 同手性CPDI-Ph溶液与纳米线的CD图。c) CPLD下基于CPDI-Ph的器件的ID-VG特性d) 高不对称同手性活性层的结构及诱导手性有序的过程。e) 掺杂和热处理聚合物薄膜的CD信号。f) CP光电探测器的CPL分辨性能。

4.有机半导体偏振光探测器的应用前景

4.1偏振成像：提升目标检测能力

偏振成像技术通过捕捉目标物体在不同偏振状态下的显著差异，能够在复杂环境中提高目标检测和识别能力。例如，在军事领域，偏振成像可以用于探测伪装目标；在生物医学领域，偏振成像可以揭示生物组织的微观结构和生理特性。基于有机半导体的偏振光探测器因其高灵敏度和可集成性，为偏振成像技术的发展提供了新的可能性。

图6. 偏振成像。图a：单像素图像设置示意图（左）和硅探测器和极化聚合物探测器在不同偏振角度下的偏振成像能力比较（右）; 图b：30 × 30光电二极管阵列的照片和LCP/RCP照明后的图像。

4.2生物视觉模拟：赋予机器人类似生物的视觉能力

许多动物，如蚂蚁、蜜蜂和螳螂虾，能够感知偏振光并利用其导航或捕食。受这些生物视觉系统的启发，研究人员正在开发具有偏振光感知能力的生物视觉模拟系统。例如，基于有机半导体的偏振光探测器可以集成到微型传感器阵列中，实现对偏振光的实时感知和处理，从而赋予机器人和智能设备类似生物的视觉能力，使其在复杂环境中表现出色。

图7. 仿生视觉。图a为以蚂蚁为灵感的仿生偏振导航原理示意图（左）和理想的天窗偏振模式（右）; 图b为晴空下C8-BTBT基光电晶体管极坐标图。图c为蜜蜂视觉系统示意图（左），神经形态视觉系统（NVSs）处理的模拟偏振指纹成像（中），指纹识别损失函数和识别准确率图（右）。

4.3信息加密：提高信息传输的安全性

偏振光探测器还可以用于信息加密领域。通过调制光的偏振状态，可以生成复杂的加密信息，这些信息只有具备相应偏振光探测能力的设备才能读取和解码，为信息安全提供一种新的保障手段。

图8. 信息加密。图a为信息加密过程及产生的加密信号示意图；图b为双重加密原理示意图及其加密结果（右）。

5.未来展望

尽管有机半导体基偏振光探测器已经取得了显著的进展，但仍面临一些挑战。例如，目前大多数基于有机半导体的偏振光探测器的偏振各向异性比（）仍然较低，难以满足实际应用中对高偏振灵敏度的需求。此外，提高器件的稳定性和重复性、降低暗电流以及提高信噪比等也是需要进一步解决的问题。未来的研究方向将集中在开发新型高性能有机偏振敏感材料、优化器件结构和制备工艺、探索新的偏振检测机制以及实现偏振光探测器与其他光电子器件的集成化等方面。通过跨学科的合作和创新，有望在不久的将来实现有机半导体基偏振光探测器的广泛应用，为光电子技术的发展带来新的革命性变化。

图9. 未来偏振光探测器的机遇、挑战和途径。

全文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202423932

作者简介：

杨方旭，天津大学理学院英才教授，教育部国家级青年人才计划入选者。研究方向主要集中在低维有机半导体单晶的可控生长、物理器件与集成应用，以及高能射线/太赫兹探测与成像、单晶OLED和新型光电器件。在相关领域取得了显著的科研成果，共发表了51篇学术论文，其中包括在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Matter等国际知名期刊上发表的多篇高影响力论文。论文引用次数超过3000次，担任SmartMat、Rare Metals等期刊的青年编委。

孙玲杰，天津大学英才副教授。研究领域包括有机光电材料与器件以及多组分有机共晶材料的制备与应用。主持并参与了多项科研项目，包括中国博士后科学基金面上资助项目、国家自然科学基金重点项目、面上项目以及青年科学基金项目。在国际知名学术期刊J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Soc. Rev.等发表多篇代表性论文。

来源：高分子科学前沿

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