基于群论指导的手性有机半导体设计实现高性能圆偏振光检测

本研究针对手性有机小分子材料在圆偏振光(CPL)检测中吸收不对称因子(gabs)低的瓶颈问题，通过群论指导设计具有D2对称性的(+)/(-)-2NDI分子，实现μ与m过渡偶极矩180°或0°的理想排列，获得高达±0.06的gabs值。基于(-)-2NDI单晶薄膜的探测器创下1.67的光电流不对称因子(gph)记录，为CPL敏感材料设计提供新范式。

　　

在量子通信和生物成像等领域，圆偏振光（CPL）检测技术正成为研究热点。然而传统无机半导体探测器需要复杂的光学元件，而现有手性有机材料的吸收不对称因子（g_abs）普遍低于10^-3，严重制约其实际应用。这一困境的核心在于缺乏调控电偶极矩（μ）与磁偶极矩（m）相对角度的有效策略。

西安交通大学材料科学与工程学院的研究团队在《Matter》发表突破性研究，创新性地运用群论指导材料设计，通过构建D₂对称性的双桥联萘二酰亚胺环番（(+)/(-)-2NDI），成功实现μ与m的平行/反平行排列。该工作不仅获得创纪录的g_abs=±0.06，更基于(-)-2NDI单晶薄膜开发出g_ph高达1.67的探测器，性能超越绝大多数已报道的有机手性材料。

研究采用分子动力学模拟指导合成，通过单晶X射线衍射解析结构，结合圆二色谱（CD）验证手性光学性质。利用溶液法制备有机单晶薄膜（COSCFs），采用原子力显微镜（AFM）和选区电子衍射（SAED）表征结晶质量，构建有机场效应晶体管（OFETs）测试光电性能，并通过磁性导电原子力显微镜（mc-AFM）研究手性诱导自旋选择性（CISS）效应。

【分子设计与手性光学性质】

理论计算表明D₂对称性强制μ与m在正交轴上排列，使夹角θ严格为0°或180°。实验测得(+)/(-)-2NDI在450 nm处呈现镜像对称的CD信号，g_abs达±0.06，较常规手性分子提升两个数量级。单晶结构中NDI单元呈平行排列，分子内/间π-π堆叠距离分别为3.4?和3.5?，保证高效电荷传输。

【光电性能与器件优化】

(-)-2NDI单晶薄膜呈现规则带状形貌，电子迁移率达4.12×10^-3 cm² V^-1 s^-1。探测器在450 nm光照下响应度（R）达13.76 A W^-1，比探测率（D*）为8.25×10¹⁰ Jones。

【CPL检测与自旋效应】

器件对右旋CPL（RCPL）的响应显著强于左旋CPL（LCPL），在V_G=0 V时g_ph达1.67。mc-AFM测试揭示93%的自旋极化率，证实CISS效应对性能提升的关键作用。

【应用验证】

通过"TJU"图案成像和二进制信息编解码实验，证实器件在CPL成像和信息加密中的应用潜力。

该研究开创性地将群论对称性分析应用于手性材料设计，建立"对称性-偶极矩排列-器件性能"的明确构效关系。D₂点群策略为开发高性能手性光电材料提供普适性指导，推动CPL检测技术在量子计算和生物传感等领域的实用化进程。