天津大学，最新Nature Reviews Materials评述！

有机光电探测器（ OPD ）因其轻质柔性、光谱响应可调、可溶液加工、生物相容性好等独特优势，正逐步从实验室走向实际应用，特别是在可穿戴健康监测、精准农业、人机交互等前沿领域展现出广阔的应用前景。 近日 ， 天津大学 材料 科学与工程 学院、 智能传感功能材料全国重点实验室 耿延候教授、叶龙教授 与 韩国浦项科技大学 Dae Sung Chung 教授 （共同通讯作者） 合作， 在国际 著名 期刊《 Nature Reviews Materials 》撰写 了题为 “ The rising promise of organic photodetectors in emerging technologies ” 的 评述 文章 ，重点梳理了OPD技术的前沿进展及其在多个新兴领域中的应用潜力与面临的商业化挑战。 天津大学为 论文第一单位和通讯作者单位 ，论文的第一作者为 天津大学材料 科学与工程 学院 2023 级直博生 张凯 。

文章从 OPD 的 核心 优势出发， 深入 探讨 了 其 在健康监测与人机接口、成像与机器视觉、 智能 消费电子与环境传感 、 下一代 高速 光通信领域 等 关键应用场景中的前沿探索与技术突破，同时分析了从基础研究走向产业化过程中存在的主要瓶颈问题，并提出了未来可能的发展策略。

OPD 的核心材料为有 机半导体—— π共轭分子 / 聚合物 。这类材料 赋予 了 OPD 超薄、轻量、 本征 柔性 等 特性。 更重要的是 ， OPD 的 探测范围可通过分子设计和器件结构优化 进行 精准 定制， 实现从紫外 、可见光到近红外（ NIR ）的窄带或 全色探测 。倍增型 OPD 还 具备信号内部 增益效应 ， 无需 引入 外置放大器即可实现超过 100% 的外量子效率 ， 能够 降低系统 集成 复杂度 ，适用于 微弱光信号 的 检测 。文章 还 强调 了 OPD 卓越的集成能力：可通过溶液沉积或热蒸发加工，兼容柔性基板及卷 对卷 加工 工艺 ，实现低成本量产；能 够 无缝集成到硅基工艺（如 CMOS ）或与 OLED 共集成，构建多功能系统 （图 1 ） 。 OPD 的生物相容性和机械柔韧性使其成为可穿戴和植入式系统的理想选择。

图 1 . 有机光电探测器 在新兴领域的应用 示意图

在 健康监测与人机接口领域 ，柔性 OPD 阵列已 被集成于 皮肤贴片， 能够 实时监测血氧、心率等 生理指标 。结合机器学习，近红外 OPD 有望实现无创血糖监测。 此外， 在 植入式系统中 ， OPD 与 OLED 的集成系统 已成功监测动物脑血容量和呼吸 ， 未来可 进一步 借助 OPD 的生物相容性 构建闭环光遗传学接口或应用 于 脑机接口 进行高分辨率光学神经记录。 然而， OPD 在生理环境（汗液、酶、机械应力）下的长期工作稳定性仍是 实现商业化应用的 关 键瓶颈，需借鉴 OLED 的先进封装技术加以攻克。

面向 成像与机器视觉 领域 ， OPD 带来了 新的机遇 。 在 精准农业中，柔性轻薄 的 OPD 可直接贴附 于农作物 叶片 ， 能够 无损 地 监测叶绿素荧光变化，实时评估 植物健康。 在 工业质检中，多光谱阵列 可以 利用光谱“指纹”识别成分差异（如精准区分新鲜果汁与 色素 饮料）。 此外，得益于近红外受体分子的发展， 近红外 OPD 能够 提升弱光成像能力， 并 兼容 CMOS 传感器。 并且 ， OPD 与 智能传感 技术的 融合潜力显著 ，当前 OPD 已经 能够 与 硅基 电子 系统 堆叠集成，同步捕获高分辨率彩色图像和深度信息，适用于 3D 人脸识别、 AR 等场景。未来可调光谱 的 OPD 有望增强激光雷达系统，提升恶劣天气下自动驾驶的障碍物检测。

在 消费电子与环境传感 方面，超柔性 OPD 可 嵌入 柔性设备， 实现无边框设计； 也可以将 透明 OPD 阵列集成于 AR 眼镜，在不遮挡用户视线的前提下追踪眼球运动 ； 当前， 透明近红外 OPD 已 支持无接触手势控制，适用于公共交互界面。在 环境监测领域 ， OPD 在污水检测中已展现出高于无机探测器的灵敏度。未来可开发紫外 响应的 OPD 为户外工作者提供有害日光照射预警 ，或 将 OPD 与 响应性聚合物气体传感器 集成 来 实现对 空气质量 的 实时评估 。 然而 要 实现 匹敌硅基传感器的 纳秒级响应 速度，仍需提升有机半导体的电荷迁移率。

OPD 在 下一代光通信 ， 特别是短距离、高带宽应用 中同样崭露头角。其可调光谱契合波分复用需求 ， 可在单一光通道上使用不同波长同时传输多路信号，并通过最小化光学串扰选择性检测可见光至近红外的特定通道 。 柔性 OPD 阵列 在可见光通信中 前景广阔 ， 基于 OPD 的 可见光通信系统能够 轻松集成至智能家居和办公室，利用日常 LED 照明实现高速数据传输。 此外， 其 本征 柔性便于集成到曲面 ， 例如无人机载接收器用于空中数据链 。新型材料 的开发 （如 新型 非富勒烯受体）有望提升 响应 速度 ，其 与塑料光纤兼容性利于医疗 / 军用可穿戴设备高速数据传递。

尽管潜力巨大， OPD 为实现真正 商业化仍需 克服 高 暗电流、长期稳定性不足、 批次 稳定 性及环境耐受性 等挑战。 新型材料的设计合成以及溶液加工、 卷对卷印刷 等大面积制造工艺的开发至关重要；同时， 深入理解溶液成膜过程中聚集结构的演变规律， 如何 实现兼具 优良 力学性能与光电性能的 OPD 器件 ，也是 极其 重要的基础科学问题。 此外 ， OPD 与 人工智能、柔性电子及新兴通信技术 的深度融合，将 持续拓展其应用版图。

上述工作 得到了国家自然科学基金、天津市杰出青年科学基金等项目的资助 。

https://www.nature.com/articles/s41578-025-00821-2

来源：高分子科学前沿

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