朱晓张JACS: 吸收超过1000 nm的新型非富勒烯受体

近年来，具有近红外光响应性的新型给体-受体-给体（A-D-A）型非富勒烯受体（NFA）极大地促进了有机光伏（OPV）的发展，对灵敏型近红外有机光电探测器（OPD）也有极大的应用潜力。对于OPV领域来说，目前相关器件已经实现超过18%的高光电转换效率（PCE）。迄今为止，大多数基于A-D-A型稠环受体分子，其NIR吸收小于900 nm。事实上，由于缺乏强给电子单元，吸收超过1000 nm的近红外NFA仍然少之又少，特别是能够应用于生物成像，远程通信，夜间监视等领域的近红外OPD之中。

图1😛DT/PDTT分子设计策略与其它二噻吩结构能级比较

基于以上的考虑，开发吸收超过1000 nm的近红外NFA具有一定的应用价值。近日，中科院化学研究所朱晓张研究员团队设计和合成了一种新型基于二噻吩的结构单元，PDT，其相比于其它广泛使用的二噻吩结构单元（如TT，DTT，BDT等）表现出最强的给电子能力，HOMO能级为?4.77 eV。通过将PDT和其衍生物PDTT作为给电子单元，IC-2F作为电子接受单元，研究人员随后开发了两种新型近红外受体分子PDTIC-4F和PDTTIC-4F，二者吸收能达到1030 nm，超过了已 道过的受体分子O6T-4F。此外，与O6T-4F中的碳氧桥接核COi8相比，PDT和PDTT的合成难度大大降低。

图2:基于PM6😛DTIC-4F/PDTTIC-4F的OPV器件性能测试

随后，研究人员将PDTIC-4F和PDTTIC-4F应用到OPV领域之中。研究结果显示，基于PM6😛DTTIC-4F的器件的PCE达到10.70% ，开路电压（VOC）为0.62 V，短路电流（JSC）为25.90 mA cm-2。他们还通过调节膜厚度来减弱暗电流的产生，从而进一步研究了基于倒置型PM6😛DTTIC-4F的OPD器件。令人惊讶的是，所制备的最佳OPD器件表现出可以与商用硅光电二极管相媲美的超高性能，900 nm的条件下，响应度达到创纪录的0.55 AW-1，在430至980 nm范围内，散粒噪声极限比探测率超过1013。所有的数据表明，PDT是近红外光电材料设计的有效构建单元，有助于实现有机光电领域的相关前沿应用。

图3:基于PM6😛DTTIC-4F的OPD器件性能测试

综上，该工作不仅开发了新型吸收超过1000 nm近红外NFA，并将其应用到OPV和OPD的领域中，获得了突破性的成果。同时，该工作也为后续的有机光电分子设计提供了新策略。相关研究成果现已发表在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》上，题为“Carbon-Bridged 1,2-Bis(2-thienyl)ethylene: An Extremely Electron Rich Dithiophene Building Block Enabling Electron Acceptors with Absorption above 1000 nm for Highly Sensitive NIR Photodetectors”。

文献地址：

https://doi.org/10.1021/jacs.0c12818

文中所涉及材料：