Гибкие высокопроизводительные органические фотодиоды сравнялись или превзошли кремниевые устройства

Производительность гибких больших площадей органических фотодиодов продвинулась до точки, где они теперь могут предлагать преимущества перед обычной кремниевой фотодиодной технологией, особенно для приложений, таких как биомедицинская визуализация и биометрический мониторинг, требующие обнаружения низких уровней света на больших площадях. Низкошумящие, растворимые, гибкие органические устройства предлагают способность использовать произвольно оформленные, большие площади фотодиодов для замены сложных массивов, которые потребовались бы с обычными кремниевыми фотодиодами, которые могут быть дорогими для масштабирования для больших площадей. Органические устройства обеспечивают производительность, сравнимую с жесткими кремниевыми фотодиодами в видимом спектре света — за исключением времени отклика.

«Мы достигли первой демонстрации того, что эти устройства, произведенные из раствора при низких температурах, могут обнаруживать всего несколько сотен тысяч фотонов видимого света каждую секунду, похоже на величину света, достигающего наш глаз от одной звезды в темном небе», — сказал Канек Фуэнтес-Эрнандес, главный научный сотрудник в Школе электротехники и компьютерного инженерства в Технологическом институте Джорджии. «Способность покрывать эти материалы на подложки больших площадей с произвольными формами означает, что гибкие органические фотодиоды теперь предлагают некоторые явные преимущества перед передовой кремниевой фотодиодной технологией в приложениях, требующих время отклика в диапазоне десятков микросекунд».

Органические электронные устройства основаны на материалах, изготовленных из углеродосодержащих молекул или полимеров вместо обычных неорганических полупроводников, таких как кремний. Устройства можно делать, используя простые растворительные и струйные печатающие техники вместо дорогих и сложных процессов, вовлеченных в производство обычной электроники. Технология теперь широко используется в дисплеях, солнечных элементах и других устройствах.

Органические фотодиоды используют полиэтиленимин, аминосодержащий полимерный модификатор поверхности, найденный для производства воздухостабильных, низкоработающих электродов в фотовольтаических устройствах, разработанных в лаборатории Бернарда Киппелена, профессора Джозефа М. Петтита в Джорджийском технологическом институте. Использование полиэтиленимина также показало производство фотовольтаических устройств с низкими уровнями темнового тока — электрического тока, текущего через устройство даже в темноте. Это означало, что материалы могут быть полезны в фотодетекторах для захвата слабых сигналов видимого света.

Применения

Одно применение для новых устройств — в пульсоксиметрах, теперь надеваемых на пальцы для измерения частоты сердечных сокращений и уровня кислорода в крови. Органические фотодиоды могут позволить разместить множественные устройства на теле и работать с в 10 раз меньшим светом, чем обычные устройства. Это может позволить носимым мониторам здоровья производить улучшенную физиологическую информацию и непрерывный мониторинг без частых смен батарей. Другие потенциальные приложения включают человеко-компьютерные интерфейсы, такие как бесконтактное распознавание жестов и управление.

Будущее применение — обнаружение ионизирующего излучения синтилляцией — вспышкой света, излучаемой фосфором при ударе высокоэнергетической частицей. Снижение уровня обнаруживаемого света улучшило бы чувствительность устройства, позволяя обнаруживать более низкие уровни излучения. Обнаружение излучения, излучаемого от транспортных средств или грузовых контейнеров, требует большую площадь детектора, которая была бы легче сделать из органических фотодиодов, чем из массивов кремниевых фотодиодов.

Органические фотодиоды могут иметь похожие преимущества в рентгеновском оборудовании, где врачи хотят использовать наименьший возможный уровень излучения для минимизации дозы, доставляемой пациенту. Здесь снова чувствительность, большая площадь и гибкий форм-фактор должны дать органическим фотодиодам преимущество над кремниевыми массивами.

Органические фотодиоды могут показывать значения шумового тока в диапазоне десятков фемтоампер и значения шумово-эквивалентной мощности в нескольких сотнях фемтоватт. Ключевые факторы производительности органических фотодиодов хорошо сравниваются с кремнием, за исключением области времени отклика, где исследователи работают над сотнекратным улучшением для обеспечения будущих приложений.

«Органические тонкопленочные пленки поглощают свет эффективнее, чем кремний, поэтому общая толщина, необходимая для поглощения этого света, очень мала», — сказал Киппелен. «Даже если вы масштабируете их площадь вверх, общий объем вашего детектора остается малым с органическими. Если вы увеличиваете площадь кремниевого детектора, у вас больше объема материалов, которые при комнатной температуре генерируют много электронного шума».

Фотодиоды, сделанные в лаборатории Киппелена, используют активный слой толщиной всего 500 нанометров. Грамм материала, примерно размером с кончик пальца, мог бы покрыть поверхность офисного стола.