Гибкие органические фотодиоды большой площади могут конкурировать с кремниевыми устройствами

Производительность гибких органических фотодиодов большой площади повысилась до такой степени, что теперь они могут предложить преимущества по сравнению с традиционной технологией кремниевых фотодиодов, особенно для таких приложений, как биомедицинская визуализация и биометрический мониторинг, которые требуют обнаружения низких уровней света на больших площадях. Гибкие органические устройства с низким уровнем шума, обработанные раствором, предлагают возможность использовать фотодиоды произвольной формы с большой площадью для замены сложных матриц, которые потребуются для обычных кремниевых фотодиодов, масштабирование которых может быть дорогостоящим для приложений большой площади. Органические устройства обеспечивают производительность, сравнимую с жесткими кремниевыми фотодиодами в спектре видимого света, за исключением времени отклика.

«То, что мы достигли, — это первая демонстрация того, что эти устройства, изготовленные из раствора при низких температурах, могут регистрировать всего несколько сотен тысяч фотонов видимого света каждую секунду, что аналогично величине света, достигающего нашего глаза от одиночной звезды в темное небо», — сказал Канек Фуэнтес-Эрнандес, главный научный сотрудник Школы электротехники и вычислительной техники Технологического института Джорджии. «Возможность наносить эти материалы на подложки большой площади произвольной формы означает, что гибкие органические фотодиоды теперь предлагают некоторые явные преимущества по сравнению с современными кремниевыми фотодиодами в приложениях, требующих времени отклика в диапазоне десятков микросекунд». /Р>

Органические электронные устройства основаны на материалах, изготовленных из молекул или полимеров на основе углерода вместо обычных неорганических полупроводников, таких как кремний. Устройства могут быть изготовлены с использованием простых растворов и методов струйной печати вместо дорогостоящих и сложных процессов, связанных с производством обычной электроники. В настоящее время эта технология широко используется в дисплеях, солнечных батареях и других устройствах.

В органических фотодиодах используется полиэтиленимин , аминосодержащий полимерный модификатор поверхности, который, как было обнаружено, позволяет производить стабильные на воздухе электроды с низкой работой выхода в фотоэлектрических устройствах, разработанных в лаборатории Бернарда Киппелена, профессора Джозефа М. Петтита в Технологическом институте Джорджии. Также было показано, что использование полиэтиленимина позволяет производить фотогальванические устройства с низким уровнем темнового тока — электрического тока, протекающего через устройство даже в темноте. Это означало, что материалы можно использовать в фотодетекторах для улавливания слабых сигналов видимого света.

Одним из применений новых устройств являются пульсоксиметры, которые теперь размещаются на пальцах для измерения частоты сердечных сокращений и уровня кислорода в крови. Органические фотодиоды могут позволить размещать на теле несколько устройств и работать с в 10 раз меньшим количеством света, чем обычные устройства. Это может позволить носимым мониторам здоровья получать улучшенную физиологическую информацию и непрерывный мониторинг без частой замены батареи. Другие потенциальные приложения включают интерфейсы человек-компьютер, такие как бесконтактное распознавание жестов и элементы управления.

Будущее применение — обнаружение ионизирующего излучения сцинтилляцией — вспышкой света, испускаемой люминофором при ударе частицы высокой энергии. Снижение уровня обнаруживаемого света улучшит чувствительность устройства, что позволит ему обнаруживать более низкие уровни излучения. Обнаружение радиации, испускаемой транспортными средствами или грузовыми контейнерами, требует большой площади детектора, который было бы легче изготовить из органических фотодиодов, чем из массивов кремниевых фотодиодов.

Органические фотодиоды могут иметь аналогичные преимущества в рентгеновском оборудовании, где врачи хотят использовать минимально возможный уровень радиации, чтобы свести к минимуму дозу облучения пациента. Здесь снова чувствительность, большая площадь и гибкий форм-фактор должны дать органическим фотодиодам преимущество перед матрицами на основе кремния.

Органические фотодиоды могут отображать значения тока электронного шума в диапазоне десятков фемтоампер и значения эквивалентной мощности шума в несколько сотен фемтоватт. Ключевые рабочие характеристики органических фотодиодов хорошо сопоставимы с кремниевыми, за исключением времени отклика, где исследователи работают над стократным улучшением, чтобы обеспечить возможность применения в будущем.

«Органические тонкие пленки поглощают свет более эффективно, чем кремний, поэтому общая толщина, необходимая для поглощения этого света, очень мала», — сказал Киппелен. «Даже если вы увеличите их площадь, общий объем вашего детектора останется небольшим с органикой. Если вы увеличите площадь кремниевого детектора, у вас будет больший объем материалов, которые при комнатной температуре будут генерировать много электронного шума».

В фотодиодах, изготовленных в лаборатории Киппелена, используется активный слой толщиной всего 500 нанометров. Грамм материала размером примерно с кончик пальца может покрыть поверхность офисного стола.