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圖1.（a）多重共振1,4-硼氮雜芳烴的光物理性質和研究現狀；（b）BCzBN和BCzBN-COOH的化學結構，以及本工作中窄譜帶光電探測器的設計。

近日，南開大學王小野課題組利用MR材料的窄譜帶吸收特性，首次構建了基于MR分子的窄譜帶光晶體管器件（圖1b）。作者設計了一種有機/無機錨定型光晶體管結構，通過將羧基功能化的MR分子（BCzBN-COOH）錨定在高遷移率的氧化銦鋅（IZO）薄膜表面，實現了高效的界面電荷轉移。該器件結構可充分利用MR分子的窄譜帶吸收特性，而無需依賴其載流子遷移率。該器件展現出優異的光電探測性能，其光電響應半峰寬僅為33 nm，在基于本征窄吸收材料的窄譜帶光電探測器中創下了新紀錄。這一結果充分表明，MR材料有潛力成為新一代窄譜帶光電探測器的分子平臺。

圖2. BCzBN和BCzBN-COOH的（a）吸收光譜以及（b）前線分子軌道分布和能量圖。

BCzBN和BCzBN-COOH的吸收光譜顯示，二者在可見光區均呈現出尖銳的吸收帶，半峰寬都為21 nm（圖2）。不同的是，BCzBN-COOH的最大吸收峰相比于BCzBN發生輕微紅移。理論計算結果表明，在BCzBN中引入羧酸基團對最高占據分子軌道（HOMO）的影響可以忽略不計。相比之下，最低未占分子軌道（LUMO）明顯向具有吸電子性質的羧酸基團拓展，且LUMO能級從–1.71 eV顯著降低到–2.03 eV。因此，與BCzBN相比，BCzBN-COOH顯示出更小的HOMO-LUMO能隙，這解釋了BCzBN-COOH吸收峰紅移的現象。此外，值得注意的是，羧酸基團的引入并未改變前線分子軌道的非鍵特性，這對BCzBN-COOH保持窄譜帶吸收性質至關重要。

圖3. IZO和BCzBN-COOH/IZO薄膜的（a）吸收光譜和（b）O 1s的XPS分析譜圖；（c）BCzBN-COOH/IZO異質結構的能帶；（d）BCzBN-COOH和BCzBN-COOH/IZO的光致發光光譜。

為了制備BCzBN-COOH/IZO異質結構，作者采用浸泡法，首先將制備的IZO薄膜浸入BCzBN-COOH溶液中，隨后通過溶劑沖洗去除物理吸附的分子。紫外-可見吸收光譜顯示（圖3a），BCzBN-COOH修飾的IZO薄膜在485 nm處出現特征吸收峰，相較于BCzBN-COOH溶液相的吸收峰（489 nm）發生了4 nm的藍移。此外，雜化薄膜的吸收半峰寬（33 nm）較溶液下發生展寬，這可能是由于BCzBN-COOH分子在IZO表面發生聚集所致。通過X射線光電子能譜（XPS）對O 1s能級進行分析表明，BCzBN-COOH修飾后，IZO薄膜中晶格氧的相對峰面積比增加，氧空位濃度降低，特別是化學吸附氧的比例顯著提升，這些結果充分證實了BCzBN-COOH成功鍵合在IZO薄膜表面（圖3b）。同時，BCzBN-COOH/IZO異質結能帶呈現出典型的II型異質結構（圖3c），這種能帶結構有利于激子解離為自由載流子，從而提升電荷分離效率。進一步的光致發光光譜研究表明（圖3d），在含有IZO納米顆粒的BCzBN-COOH溶液中觀察到顯著的熒光淬滅現象，證實了光生電子從BCzBN-COOH向IZO半導體轉移的可行性。    

圖4.BCzBN-COOH/IZO光晶體管器件性能。

作者進一步表征了基于BCzBN-COOH/IZO異質結構的光晶體管器件性能。如圖4a所示，器件表現出波長依賴的光響應特性，在485 nm處響應最強，這與BCzBN-COOH修飾的IZO薄膜的吸收峰高度吻合。通過系統研究光強依賴特性（圖4b-f），該光晶體管展現出優異的光探測性能：其最大光靈敏度（P_max）、光響應性（R_max）、外量子效率（EQE_max）和比探測率（D*_max）分別達到6.73×10⁷、8.99×10³ A W^-1、2.30×10⁴和5.62×10¹⁴ Jones。這些性能指標在已報道的有機/無機雜化光電晶體管中處于領先水平，凸顯了該器件結構在光電探測中的優勢。    

圖5.（a）BCzBN-COOH/IZO光晶體管的光譜選擇性探測圖；（b）本工作及文獻報道的光電探測半峰寬比較；（c）非MR分子TPABT-COOH的化學結構。（d）TPABT-COOH/IZO薄膜的吸收光譜和TPABT-COOH/IZO光晶體管的光譜選擇性探測圖。

BCzBN-COOH/IZO光晶體管的光譜選擇性探測譜圖如圖5a所示，其在485 nm處達到峰值，探測半峰寬為33 nm，這是目前報道的基于本征窄吸收材料的窄譜帶光電探測器中最窄的紀錄（圖5b）。為闡明MR材料對光電探測性能的貢獻，作者合成了非MR材料TPABT-COOH進行對比研究（圖5c）。TPABT-COOH/IZO光晶體管的最大P、R、EQE和D*值與基于MR的光晶體管性能相當，表明有機/無機異質結結構是實現優異光電探測性能的關鍵。另一方面，TPABT-COOH/IZO光晶體管的探測半峰寬與雜化薄膜的吸收光譜一致（圖5d），表明雜化光晶體管的探測半峰寬主要由有機材料的吸收特性決定。因此，MR基光晶體管的探測半峰寬明顯小于非MR基器件，這凸顯了MR材料的窄吸收特性在實現窄譜帶光電探測中的核心作用。