中国科学院长春应用化学研究所在短波红外（SWIR, 1000-3000 nm）光响应有机半导体研究中取得重要进展。刘俊研究员团队设计了一类新型的基于“共振硼氮键”单元的D-A型小分子电子受体。引入共振硼氮键的小分子电子受体BIP-M1，实现了受体从近红外（NIR, 700-1000 nm）到短波红外波段的光谱红移。将该受体应用于短波红外有机光探测器（OPDs），器件在300-1400 nm的宽光谱范围内表现出灵敏的光响应，在1200 nm处的峰值响应度达0.18 A W-1，峰值比探测率高达3.93×1011 Jones。相关研究成果以An Electron Acceptor with bis(Borondifluoride)-8-imidazodipyrromethene as the Core for Short-Wavelength Infrared Photoresponse”为题，发表于《Angew. Chem. Int. Ed.》。
给受体（D-A）型小分子半导体因其具有窄带隙、高摩尔吸光系数、高电子迁移率等特点被广泛应用于有机光电器件，成功实现了有机太阳能电池（OSCs）能量转换效率从5%到20%的突破。基于其优异的光电转换性能，将该类分子应用于光伏型OPDs，在可见光-近红外区实现了超越传统硅基半导体的优异性能。因此，当响应光谱进一步红移，面向在医学成像、自动驾驶、夜视等领域具有广阔应用前景的短波红外光探测器，有机小分子半导体同样成为了极具潜力的候选者。但长期以来，受限于分子结构单元有限的数量，面向OSCs发展的高性能结构单元组合难以实现高效的SWIR吸收。近几年，通过在分子骨架中嵌入新型醌式结构单元，研究者成功将小分子受体的吸收范围拓展至~1300 nm，在上述光谱范围内实现了接近无机半导体的探测水平，为SWIR OPDs带来了全新的机遇。因此，引入全新的结构单元，实现分子光谱的进一步红移与器件性能的同步提升，是SWIR OPDs领域的重要发展方向。
不同于近年来研究者广泛采用的醌式结构策略，研究团队以共振硼氮键单元作为分子设计的核心策略。2022年，刘俊研究员团队首次发现并提出了有机分子内硼氮共价键与硼氮配位键的等价共振，并命名为共振硼氮键 (Resonant N—B←N bond)。共振硼氮键已被证实是一类有效的窄带隙有机半导体设计策略（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202205893; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e20231083; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202506116; Sci. Bull. 2025, 70, 4138-4141）。基于上述基础， 本研究采用新型共振硼氮单元-bis(borondifluoride)-8-imidazodipyrromethene（BIP）作为分子核心，构筑小分子受体BIP-M1。与不含BIP单元的参比分子相比，BIP-M1的吸收光谱大幅红移，摩尔吸光系数大幅提升，斯托克斯位移显著减小，表明受体具有优异的短波红外吸光能力和低非辐射能量损失特征。得益于BIP-M1的大偶极（11.25 Debye），其膜态具有显著的聚集诱导光谱红移现象，薄膜吸收起始波长拓展至1450 nm，光学带隙窄至0.86 eV。同时， BIP-M1还具有更紧密的π-π堆积，更高的电子迁移率。将BIP-M1与经典高分子给体PBDB-T共混，制备的光伏型OPD具有优异的器件性能，是目前SWIR OPDs的最高水平之一。
图1.新型小分子受体BIP-M1与参比分子CPIC的主要结构性质对比
图2. 短波红外有机光探测器结构与性能
本研究基于共振硼氮键单元的设计策略，发展了一类新型短波红外电子受体，不仅突破了有机小分子半导体红外吸收能力的瓶颈，还实现了优异的短波红外光探测器性能。该项工作为短波红外光响应有机半导体提供了全新的单元选择与设计思路，为高性能有机光探测器提供了全新的材料体系。
研究成果详见《Angewandte Chemie International Edition》期刊：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.3239137
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