西安交通大学马伟、凡群平/南方科技大学王中锐团队 Nature Materials：应用QSense QCM-D研究事件驱动有机光传感器的离子摄取与抑制机制

光传感器能否在捕捉光照变化的同时，直接调节事件信号的强弱？西安交通大学联合南方科技大学等单位在《自然·材料》（Nature Materials）发表研究，在单一有源层中耦合电子输运与离子运动，实现幅值可编程的事件驱动光响应。QSense耗散型石英晶体微天平（QCM-D）提供的原位质量变化证据，帮助辨明了有源层中承担离子补偿的材料组分。

论文标题为《Amplitude-controllable event-driven organic photosensors based on ionic-mediated inhibition》。赵超、苏旭东、陈曦为共同作者，凡群平、王中锐、马伟为共同通讯作者。

研究背景 让感光材料参与信号调节

传统帧式视觉持续采集完整图像，容易产生大量重复信息；事件相机按光照变化输出信号，减少了冗余，但二值事件难以用单次脉冲直接表达变化幅度。若还要按任务突出特定区域，通常需要额外电路。生物视觉中的兴奋与抑制协同，为材料层面的信号调节提供了启发：快速产生响应，再通过反馈限制持续输出。

研究方法 在同一光敏层耦合电子与离子传输

团队将有机离子—电子混合导体（organic mixed ionic–electronic conductor,OMIEC）PgBDT-T与非富勒烯受体Y6共混，在金工作电极上形成约130 nm厚的体相异质结有源层，并通过电解质与对电极连接，构建两端式离子—电子事件驱动传感器（IEES）。PgBDT-T给体相允许离子进入，Y6受体相提供快速电子提取通道。研究结合瞬态光电流、原位紫外—可见吸收光谱、原子力显微镜（AFM）及QCM-D测试，分析电荷积累与离子补偿的耦合关系。

图1 IEES的设计与材料机制。a、b为生物视觉启发与感知方式比较；c、d为器件结构和材料；e–g展示离子补偿示意、光谱变化及对照材料的光响应。

QSense QCM-D 追踪电化学掺杂中的质量变化

离子究竟进入了哪一种材料，是理解抑制机制的关键。研究分别将PgBDT-T和Y6沉积在镀金QCM-D传感器上，在0.1 M NaCl电解液中开展原位电化学测试，将频率变化与电位、电流响应对应起来。与仅观察光电流衰减相比，这一测量提供了薄膜在掺杂过程中发生质量变化的独立证据。

实验联用PARSTAT MC电化学工作站，以QSoft401 2.8.6采集数据，记录基频及第3、5、7、9次泛音的频率f与耗散D，再用QSense Dfind 1.3.2按Sauerbrey关系换算单位面积质量变化。

图2 电化学偏压下PgBDT-T与Y6的原位QCM质量响应。a：PgBDT-T；b：Y6。各组上图为电位和电流，下图为频移经Sauerbrey关系换算的质量变化Δm。两组电位极性和纵轴量程不同，应结合刻度比较。

补充图12显示，PgBDT-T氧化时出现明显负频移，对应单位面积质量增加。作者将其归因于p型电化学掺杂过程中的Cl⁻摄取。Y6在所施加的负电位下仅出现较小质量变化，幅度约为PgBDT-T的五分之一。这说明两种组分的离子摄取能力存在明显差异，支持离子补偿主要发生在PgBDT-T给体网络中的判断。

AFM厚度表征与上述结果相互印证：PgBDT-T表现出与离子摄取相关的溶胀，Y6的厚度变化则很小。本文主要依据频率—质量结果分析离子摄取，未由耗散数据提取黏弹性参数。Sauerbrey换算质量也不能直接等同于纯Cl⁻质量；离子补偿机制需结合电解质组成、电化学响应及其他表征综合判断。

实验结果与分析 离子补偿如何抑制光电流

光照增强时，Y6中的光生电子快速提取，首先形成瞬态“兴奋”光电流；PgBDT-T中的空穴输运较慢，正电荷逐渐积累，并由进入给体相的阴离子进行电荷补偿。这一过程削弱局部载流子提取电场、促进复合，形成“离子介导抑制”，使后续光电流回落。关光时积累电荷释放，产生反向瞬态响应。事件脉冲由材料内部离子—电子耦合产生，而其幅值可以通过外加偏压主动调节。

QCM-D揭示了离子摄取的组分差异，原位紫外—可见光谱、表面电势和电学测试则进一步支持电荷积累与掺杂过程。作者还将瞬态衰减与约0.3 s的RC时间常数进行比较：在较强光生电流条件下，衰减快于单纯RC模型；弱光时则更接近RC极限，说明离子反馈与电容过程的相对贡献随条件变化。

综合响应动力学，PgBDT-T:Y6质量比1:1被选为优化组成。器件在20,000 s循环光照测试中的响应偏差小于5%，最小可检测光强变化为0.055 mW/cm²，动态范围超过75 dB。在测试范围内，0至0.24 V偏压可连续调节脉冲幅值。背景光照引起的响应衰减体现被动适应，偏压调节则提供主动、可编程的增益控制，两者作用应加以区分。

在4×4阵列的动态字母投影实验中，团队利用像素偏压将不同照明条件下的事件响应调节至相近幅值。在基于实测器件响应的多人动作场景模拟中，空间偏压分布可增强目标区域、抑制非目标区域，目标区域的事件计数达到统一偏压条件下的近10倍，体现了按任务分配像素响应权重的能力。

进一步提出的混合幅值—时间编码神经网络（IEES–HATC NN），将卷积核的空间权重映射为像素偏压，以事件脉冲幅值同时承载光照变化信息与模拟权重。加权事件经时间累积形成卷积特征图，再由长短期记忆（LSTM）网络分类。基于器件实测响应的仿真在Weizmann四类动作识别任务中获得100%测试准确率。完整149段视频评估集的前端总能耗估算为0.064 mJ，不含共同使用的下游LSTM分类器，不能等同于整机实测能耗。

结论与展望 从离子摄取证据到材料设计

这项研究表明，可进入有机光敏层的离子能够参与事件响应的形成，并成为调节信号幅值的材料基础。QSense QCM-D的作用在于，将电化学掺杂对应的质量变化具体落实到PgBDT-T和Y6两种组分，为理解给体相的离子补偿提供证据。对于类似混合导体，联合质量、电学与光谱测量，有助于辨别离子进入和电荷输运各自承担的作用。

后续走向更大规模阵列，还需改善电解质分布与像素一致性，并验证完整系统的长期运行和能耗表现。论文提出的图案化固态电解质是一条可探索路径；在此基础上，材料内部的可调离子反馈有望进一步服务于自适应视觉前端。

基金支持

本研究获国家自然科学基金（W2411049、52573347、22209131）、国家重点研发计划（2024YFA1208204）、陕西省青年拔尖人才支持计划（2023STZZK05）、111计划2.0（BP2018008）、深圳市科技创新委员会（SGDX20220530111405040）、北京市自然科学基金（Z210006）及香港研究资助局（17205922、17212923）支持。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02747-8

原创作者：瑞典百欧林科技有限公司