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研究背景:
电子元件的小型化和集成化推动了可穿戴设备的发展。例如，集成到智能手表中的光学传感器可以通过皮肤接触持续监测心血管信息；将能量收集器、处理器和传感器集成到衣服中可以将太阳能和体热转化为电能，为其他设备充电并监测体温和呼吸等生理参数，从而协助运动员进行训练；集成到眼镜中的AR/VR系统可以促进虚拟世界和现实世界之间的交互。传统的硅基半导体器件在小型化和柔性穿戴上面临众多挑战：1）无机刚性材料制成的电子芯片和传感器与皮肤缺乏足够的附着力；2）长时间使用的功耗和发热问题；3）减轻设备重量以提高佩戴者的舒适度；4）降低成本。柔性有机电子器件应对这些挑战具有前景广阔。它们的化学、光学、电学和机械性能可以通过分子设计和器件结构进行微调，在可穿戴和非侵入式检测方面具有巨大潜力。
亮点 Highlights:
多种应用场景下的高性价比有机电子产品
近红外OPD技术用于实时健康监测
小型化可穿戴设备推动实时健康跟踪技术
有机近红外响应推动无损检测
文章解读
1. 前言
随着以毫秒级传输时延为特征的5G技术的问世和全球普及，可以使用AI和大数据上传和分析数据，为用户提供即时反馈，从根本上改变生活方式。传统的大型、笨重和侵入式健康监测和质量检测系统具有诸多限制，因此，匹配新时代电子产品需求的小型化、便携、无创和可穿戴交互技术脱颖而出。有机半导体独特的柔性、生物兼容性、易修饰、可卷对卷打印等特点，满足新时代电子产品设计的需求。将有机电子器件集成到传感器中，可在多种应用场景中提供显著的成本效益和功能优势。有机光电探测器（OPD）设计的灵活性使其适用于多层功能器件，如曲面近红外（NIR）图像传感器、可穿戴单元、有机NIR传感器、图像扫描仪、有机指纹传感器、紧凑型信息系统和光通信等。
2. OPD的基本原理
OPD是一种将入射电磁波转换为电信号的光电器件。通过有机材料修饰和器件结构设计，目前已经开发了倍增型OPD、宽带OPD、窄带OPD和多模OPD等多种器件类型，适用于多种应用场景。OPD的性能参数注意包括外量子效率（EQE）、响应度、暗电流、探测度、响应时间、截止频率和动态响应范围。其中，EQE和响应度描述器件的光电转换能力；暗电流和探测度描述器件对弱光的检测能力，响应时间和截至频率描述器件的响应速度；动态响应范围描述器件的检测范围。
3. 无损检测
在现代应用中，非侵入式检测方法变得越来越重要。这些方法应用于各个领域，例如检测有关古代艺术绘画内层的信息、评估水果的糖分和水分含量。这些测试通常依赖于受试者与射线、超声波、红外光或电磁场之间的相互作用。然而，用于这些测试的市售设备通常价格昂贵且需要较大空间，因此不适合个人使用。半导体器件的小型化和有机柔性半导体材料的发展为制造便携式非侵入式检测设备提供了潜力。
在健康监测方面，OPD已成功集成于光电容积脉搏波（PPG）传感器中，实现实时心率、血氧饱和度和血压的连续监测；柔性OPDs阵列可贴合皮肤表面，通过近红外光穿透组织检测心血管信息，为慢性病管理提供便携解决方案；此外，OPD在医疗成像技术中发挥重要作用，近红外成像系统支持高分辨率（达600 dpi）的静脉显像和器官扫描，有望为无创诊断开辟新途径。在环境与工业领域，OPD的创新应用同样引人注目。酒精浓度检测系统利用OPD对特定波长（如1200-1600 nm）的高响应性，实现混合物中乙醇含量的精准分析，误差小于1%，适用于酿酒、医药和交通安全。在光学通信（LiFi）中，OPD的高频响应特性（如-3 dB频率达279 Hz）支持高速数据传输，为智能交通和室内通信提供新方案。在食品质量检测方面，近红外光谱技术具有很强的穿透能力，可以通过监测特定化学键的NIR指纹光谱，分析食品质量。例如，朱福荣教授团队已经利用多光谱OPD检测技术，开发了一种便携式水果品质检测器，用于水果品质的非侵入式检测。通过测量水果的NIR吸光度，通过算法将结果与内置数据库进行比较，以计算水果的糖含量、酸度和水含量等质量信息。搭载日盲OPD技术的水果品质检测仪可用于阳光下的户外水果检测，提供有关水果生长状态的即时信息，以避免收获未成熟的水果。
4. 总结和展望
目前的商用光电探测器主要以无机硅基探测器为主。然而，硅固有的刚性以及小于1100 nm的探测波段限制了其在下一代柔性光电器件中的应用。相比之下，柔性OPD在各种应用中具有巨大潜力，例如可穿戴电子设备、植入设备、室内光通信等。然而，OPD仍然面临挑战，例如载流子电荷迁移率低、稳定性差、响应度低以及能够吸收1100 nm以上波长的高性能有机材料较为稀缺。应对这些挑战对于推进OPD的实际应用至关重要，未来的研究应重点解决这些问题。总的来说，先进柔性有机近红外光电探测器将推动智能穿戴、智能医疗、光加密通讯等众多新兴产业的发展。
读后感:
本文重点介绍了柔性OPD的最新进展及其在可穿戴生命体征监测中的应用，包括心率、血氧水平、血压、医学成像、酒精检测和肌肉收缩等。此外，本文还研究了与环境污染监测、生物成像、食品检测、汽车应用、医疗保健、人工视觉、可穿戴电子和光通信等不同领域OPD技术相关的机遇和挑战。
作者简介:
朱福荣：讲座教授，香港浸会大学理学院副院长、先进材料研究院院长、有机电子卓越研究中心主任。本、硕毕业于复旦大学，博士毕业于澳大利亚查尔斯达尔文大学。曾在日本京都大学从事博士后研究，并曾担任新加坡材料研究院有机发光二极管和有机光伏研发部门负责人。目前的主要研究方向为有机光电器件、器件物理和近红外检测技术及应用。已发表论文200余篇，论文被他引10000余次。参与编写9本英文专著。获邀在国际会议上做特邀专题报告80余次。获国内外相关发明专利14项。2022、2023和2024年被斯坦福大学列为全球排名前2%的高被引学者。担任香港研究资助局专家组成员，澳大利亚研究基金会和加拿大国家科学和工程研究基金会项目评审专家，是国际光电工程学会成员，担任多个知名期刊审稿人。
基金支持:
本文受研究资助局（GRF12302623，12304024）和中国香港特别行政区香港创新科技署（GHP/121/21GD）的财政支持。
【文献链接】
Z. Wang, Y. Tang, M. Gao, J. Han, F. Zhu, Advanced flexible organic near-infrared photodetectors for sensing applications, Wearable Electronics 2, 124-148, (2025)
https://doi.org/10.1016/j.wees.2025.04.002.
期刊介绍：
Wearable Electronics是一本全方位关注可穿戴电子领域发展的开放获取型学术期刊，期刊刊发文章涵盖可穿戴电子的基础研究和技术应用两个方面，内容涉猎广泛，刊发文章包括但不限于：与可穿戴电子相关的材料（基底材料、金属互联材料、活性层材料、封装材料等）、功能器件（传感与探测器件、通讯器件、存储器件、显示与发光器件、能量转换与存储器件、数据采集与集成电路等）以及与之相关的先进制造技术及理论研究（建模、仿真、制造、集成、封装以及与可穿戴电子产品相关的应用技术等），致力于应对可穿戴电子领域及其核心技术出现的各类全新挑战。
目前，期刊已被Ei Compendex，INSPEC，CAS（美国化学文摘），EBSCOhost等数据库收录。
主编和编委团队：
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