近日，福建师范大学海峡柔性电子（未来科技）学院马康桥副教授联合新加坡国立大学何超斌教授等在高折射率红外透明有机聚合物研究中取得重要进展。相关成果以“All-organic polymer with large refractive index in the near-infrared”为题发表在Nature Photonics期刊上。
红外光学技术在工业传感、医学成像、天文观测、人工智能等领域具有重要应用价值。对于红外光学材料而言，高折射率和良好的红外透过率是两项关键性能。目前常用的红外光学材料主要包括硅、锗、硫化锌、硒化锌以及硫系玻璃等无机材料。这些材料虽然具有较高折射率，但通常存在密度高、机械脆性大、加工困难以及成本较高等问题。相比之下，有机聚合物具有轻质、柔性和易加工等优势，但传统有机聚合物的折射率通常只有1.4-1.6，明显低于无机材料。因此，如何在保持红外透明性的同时大幅提高有机聚合物的折射率，一直是该领域面临的重要挑战。
图1. K153的分子结构及红外光学性能。K153在750 nm处表现出2.53的超高折射率，并在近红外区域保持良好的光学透过性能。
针对这一问题，研究人员选用具有较高对称性和丰富硫原子的共轭聚合物作为骨架，并在二维共轭侧链中引入线性氰基，构筑了聚合物K153，同时以K139和PM6作为对照材料。测试结果显示，K153在750 nm处的折射率达到2.53，明显高于K139的2.25和PM6的2.10。更为重要的是，折射率的显著提升并未明显牺牲材料的红外透过性能。厚度为25 μm和160 μm的K153薄膜在红外区域的透过率分别可接近80%和60%，展现出高折射率与良好红外透明性的兼顾。
进一步的理论计算和结构表征揭示了K153获得超高折射率的内在机制。氰基具有较强的吸电子能力和较高的极化能力，同时其线性结构不会引入明显的空间位阻，有利于维持分子平面性和紧密堆积。研究发现，氰基的引入能够显著增强分子极化，同时促进分子间相互作用。GIWAXS、AFM以及理论计算结果进一步表明，K153具有较好的分子排列和较强的分子间作用。因此，K153的高折射率来源于分子极化能力提升与分子堆积优化的协同作用。这一结果表明，通过精确的分子结构调控，可以从原子尺度有效提升有机聚合物的光学性能。研究团队进一步利用K153薄膜开展了近红外、中波红外和长波红外成像实验，在不同红外波段均实现了清晰的目标识别。K153薄膜还具有良好的柔性，并可通过纳米压印技术复制高质量纳米光学结构，显示出在柔性红外成像、轻量化光学元件和纳米光学器件中的应用潜力。
图2. K153薄膜的红外成像、柔性及纳米加工性能。K153可用于不同波段的红外成像，并具有良好的柔性和纳米压印加工能力
该研究证明，全有机聚合物可以通过精确的原子尺度结构设计获得与部分无机红外材料相当的高折射率，同时保留有机材料轻质、柔性和易加工等优势。氰基工程为突破传统有机高折射率材料的性能瓶颈提供了新的分子设计策略，也为新一代柔性红外光学材料的发展提供了新的方向。
新加坡国立大学陈红滨、郭建荣为论文共同第一作者，福建师范大学马康桥和新加坡国立大学何超斌为论文共同通讯作者。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-02000-3#Sec19
