近红外有机光电探测器（NIR OPD）在无线光通信、实时健康监测、夜视等领域具有广阔应用前景。目前，基于受体-给体-受体（A-D-A）型非富勒烯受体（NFAs）的OPDs性能显著，但其给体与受体单元之间的外环乙烯桥结构不稳定，易在光、氧、热或碱性条件下降解，制约了材料与器件的长期稳定性与实用化进程。
今日，刘瑶课题组通过原创性“端基工程”策略，成功构建了无外环乙烯桥的全新非富勒烯受体平台ITC2X，从分子根源上解决了有机光电探测器长期存在的稳定性难题，实现了近红外探测灵敏度、响应速度和长期稳定性的全面跃升。该研究团队跳出传统“修补”思路，提出了“末端重构”的创新策略——不是去加固那个脆弱的环节，而是从源头上彻底将其移除。该研究通过原创性端基工程策略，设计并合成了一类全新的无外环乙烯桥非富勒烯受体平台ITC2X，其中核心分子为2-(2-溴-3-氰基-8H-茚并[2,1-b]噻吩-8-亚基)丙二腈（ITC2H）。该平台不仅彻底消除了传统NFAs中脆弱的外环乙烯键，还通过引入多氰基与卤素取代，协同增强了材料的电子亲和性、分子堆积有序性、光谱响应范围与稳定性。
与经典非富勒烯受体BTP-IC2H相比，以ITC2H为端基的衍生物BTP-ITC2H展现出了令人振奋的协同优势：化学与光稳定性显著增强，结晶度大幅提升，吸收光谱拓宽并红移，与聚合物给体PTB7-Th的混溶性显著优化，光转换过程中的重组能有效降低。这些优势共同塑造出优化的纳米形貌——更有序的分子堆积、更低的陷阱态密度、更高效的电荷传输路径，最终实现了从分子到器件层面的全局性性能提升。
图1.分子设计与合成
图2.光电特性表征
图3.分子堆积顺序
在器件性能方面，基于PTB7-Th:BTP-ITC2H构建的自供电有机光电探测器交出了一份令人瞩目的成绩单：在310–910 nm范围内实现了低至3.3×10⁻¹¹ A cm⁻²的暗电流密度，噪声限比探测率超过10¹³ Jones，线性动态范围高达141 dB，响应截止频率超过1 MHz，同时具备优异的热稳定性。尤其值得一提的是，该器件在660–870 nm范围内探测率超过10¹⁴ Jones，峰值达到1.20×10¹⁴ Jones，是参考器件的两倍以上，整体表现优于商用硅探测器。
图4.基于PTB7-Th: BTP -IC2H与PTB7-Th: BTP -ITC2H的有机光电二极管综合性能对比
图5.载流子动力学
图6. 形态学、稳定性及性能参数分析
为展示该设计策略的普适性，研究团队对ITC2H进行卤素修饰，成功合成了ITC2F和ITC2Cl衍生物。当与强给电子核CTPT结合时，光谱响应被成功拓展至1300 nm，在1200 nm处仍保持接近10¹³ Jones的探测率，暗电流密度低至3.87×10⁻¹¹ A cm⁻²。这一突破使该平台在短波红外探测领域展现出与传统无机探测器相媲美的潜力。
研究团队还系统验证了该平台的实际应用潜力。在生物健康监测中，基于PTB7-Th:BTP-ITC2H的光电探测器在900 nm近红外光照射下，通过对人体手指进行实时监测，成功实现了心率信号的精准采集。两名志愿者的心率分别测得约85和87次/分钟，与商用血压计的误差均在6%以内，验证了其在可穿戴健康监测设备中的应用可行性。在光通信领域，基于PTB7-Th:BTP-ITC2F的光电探测器在35 bit/s传输速率下实现了1440 bits数据的无误码传输。在短波红外成像中，基于CTPT-ITC2F的三元器件成功捕获了“O”“P”“D”字母的清晰图像，进一步彰显了该平台在夜视成像、机器视觉等高端领域的应用潜力。
图7. ITC2X的可扩展性及 NIR 光学粉末剂量计的应用
这项研究提出的ITC2X分子工程范式，不仅从根本上解决了A-D-A型非富勒烯受体外环乙烯键不稳定的长期难题，更重要的是揭示了“分子结构-稳定性-性能”三者之间深刻的构效关系。通过端基工程实现对分子结晶性、吸收光谱、重组能、混溶性等多维度性能的协同优化，为下一代高性能、高稳定性有机光电器件的理性设计提供了全新思路。
该研究成果以“Rational Terminal Engineering Enabled Vulnerable Exocyclic-Vinyl-Free Nonfullerene Acceptors for Sensitive and Durable Near-Infrared Organic Photodetectors”为题发表于《Journal of the American Chemical Society》上。论文第一作者为北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心硕士研究生王博轩、韩国心、罗雅诗、严博，通讯作者为北京化工大学刘瑶教授、刘文旭副教授以及天津科技大学付路路老师。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。
文章信息：
B. Wang, G. Han, Y. Luo, et al. Rational Terminal Engineering Enabled Vulnerable Exocyclic-Vinyl-Free Nonfullerene Acceptors for Sensitive and Durable Near-Infrared Organic Photodetectors. J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 1197-1209. DOI: 10.1021/jacs.5c17476
原文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.5c17476
