有机短波红外光电晶体管方面获进展，助力柔性红外成像与智能感知-感算商城

有机短波红外（SWIR）光电探测材料因其柔性、低成本、可溶液加工及能带可调等优势，在红外成像与智能感知领域展现出重要应用潜力。相比传统无机红外材料，有机半导体更适合集成于柔性电子与可穿戴器件中。然而，有机短波红外材料通常具有窄带隙，其器件性能易受到热激发与环境温度变化的显著影响，导致载流子复合增强、暗电流升高及响应稳定性下降，热稳定性问题成为制约有机短波红外探测器实际应用的关键挑战之一。因此，如何保证高灵敏度与宽谱响应的同时，实现器件在高温环境下稳定工作，亟需通过在材料设计与器件结构工程方面加以解决。

近日，天津大学朱伟钢研究团队针对有机短波红外光电器件因带隙小而易受热效应影响、在高温条件下性能不稳定的问题，提出了一种基于三元有机体系的分子工程调控策略，实现了短波红外光电晶体管在高灵敏度与热稳定性方面的协同提升。基于该体系构建的光电晶体管在1000–1800 nm波段内实现了稳定的短波红外光电响应，展现出宽光谱覆盖能力。相关研究从分子工程与载流子输运机制层面，为实现高温条件下无需制冷的有机短波红外探测提供新的设计思路。相关研究成果以“Electronic Structure, Transport, and Thermal Stability in Ternary Organic Shortwave Infrared Phototransistors”为题发表在Advanced Optical Materials期刊上。

研究团队提出了一种基于三元有机体系的分子工程协同调控策略，通过精细调控材料组分及界面电荷转移过程，实现有机短波红外光电晶体管电子结构与载流子输运行为的同步优化。研究以PDVT-10为主体材料，引入TMF2共晶构建三元活性层，在保持良好成膜性的同时显著提高自由载流子浓度。不同组分间形成稳定的电荷转移相互作用，有效增强载流子输运通道并抑制高温条件下的载流子复合。图1给出了器件结构示意图及活性层能级排列关系，为后续性能分析提供了直观依据。

图1 材料选择、结构表征与薄膜形貌

随后，研究人员系统分析了三元有机光电晶体管的短波红外光电特性。相关结果如图2所示，器件在1060 nm和1310 nm下光响应显著增强、暗电流有效抑制，最大响应度达548 A/W，比探测率达6.8 × 10¹² Jones，表现出稳定的弱光探测能力。

图2 OFET的短波红外光探测性能

随后，研究人员系统研究了器件在不同温度下的电学与光电特性。相关结果如图3所示，在25–100 °C范围内，器件迁移率未明显衰减，短波红外响应保持稳定，暗电流受抑制，展现出优异的热稳定性。

图3 OFET的热稳定性

为揭示三元体系的内在工作机理，研究人员结合能级分析与超快光谱研究载流子动力学。相关结果如图4所示，体系中形成高效电荷转移通道，亚皮秒级空穴转移与载流子寿命延长有效抑制复合。

图4 载流子动力学与热稳定性机制

综上所述，该研究通过构建三元有机体系的分子工程调控策略，系统优化了有机短波红外光电晶体管中的电子结构与载流子输运行为，成功实现了高灵敏度与高热稳定性的协同提升。研究表明，通过引入TMF2共晶调控聚合物半导体PDVT-10的电荷转移过程，可显著提高自由载流子浓度并抑制高温条件下载流子复合，从而在1000–1800 nm波段内获得稳定的短波红外光响应。该器件在25–100 °C范围内仍保持可靠工作性能，为有机短波红外光电器件在非制冷、高温环境下的应用提供了重要支撑。该研究不仅为高性能有机短波红外光电晶体管的设计提供了新的材料与机理认知，也为柔性红外成像与智能感知系统的发展奠定了坚实基础。