Преимущества гибких органических фотодиодов над кремниевыми аналогами

Органические электронные устройства основаны на материалах, изготовленных из молекул или полимеров на основе углерода, а не на обычных неорганических полупроводниках, таких как кремний. Эти устройства можно изготавливать с использованием простых решений и технологий струйной печати вместо применения дорогостоящих и сложных процессов, связанных с производством традиционной электроники

Производительность гибких органических фотодиодов большой площади выросла до такой степени, что они стали обладать большими практическими преимуществами, чем традиционные кремниевые фотоэлементы, особенно в таких областях, как биомедицинская визуализация и биометрический мониторинг, где необходима повышенная чувствительность фотоматериала большой площади к слабому световому излучению.

Гибкие органические устройства с низким уровнем создаваемых помех (шума), изготавливаемые с помощью растворов, дают возможность производства фотодиодов произвольной формы и большой площади для замены сложных масштабируемых матриц, которые бы потребовались в случае использования обычных кремниевых фотоэлементов. Органические гибкие устройства обеспечивают производительность, сопоставимую с жесткими кремниевыми фотодиодами в видимой части света, за исключением времени отклика.

«То, что было достигнуто, - это первая демонстрация того, что устройства, созданные с помощью растворов при низких температурах, чувствительны всего к несколько сотням тысячам фотонов видимого света, падающих на них каждую секунду, что сопоставимо с силой света, достигающего человеческий глаз от одной звезды в ночном небе». «Возможность наносить эти материалы на подложки большой площади и произвольной формы означает, что гибкие органические фотодиоды теперь обладают некоторыми явными преимуществами перед современными кремниевыми фотоэлементами».

Органические электронные устройства основаны на материалах, изготовленных из молекул или полимеров на основе углерода, а не на обычных неорганических полупроводниках, таких как кремний. Эти устройства можно изготавливать с использованием простых решений и технологий струйной печати вместо применения дорогостоящих и сложных процессов, связанных с производством традиционной электроники. В настоящее время эта технология широко используется в изготовлении дисплеев, солнечных элементов и других устройств.

В органических фотодиодах используется полиэтиленимин, аминосодержащий модификатор поверхности полимера, который, как было обнаружено, позволяет производить устойчивые к воздуху электроды для фотоэлектрических устройств. Использование полиэтиленимина позволяет производить фотоэлектрические устройства с низким уровнем темнового тока - электрического тока, который возникает в фотоэлектрических устройствах даже в темноте. Это означает, что этот материал может с пользой применяться в фотодетекторах для улавливания слабых сигналов видимого света.

«С годами уровни темнового тока снизились настолько, что пришлось модернизировать измерительное оборудование, чтобы можно было обнаруживать электронный шум, соответствующий колебаниям одного электрона за одну миллионную долю секунды». «Эти усилия привели к научным открытиям, которые необходимы для появления органических фотодиодов с достаточным уровнем производительности».

Одно из применений полученных устройств - пульсоксиметры, которые надевают на пальцы для измерения частоты сердечных сокращений и уровня кислорода в крови. Органические фотодиоды позволят разместить на теле несколько приборов, которым необходимо для работы в 10 раз меньше светового излучения, чем обычным. Это позволяет носимым устройствам мониторинга здоровья предоставлять улучшенную и непрерывную физиологическую информацию без частой замены батареи. Другие применения включают человеко-машинные интерфейсы, предназначенные для распознавания жестов.

Одним из будущих применений станет обнаружение ионизирующего излучения с помощью сцинтилляции - вспышки света, излучаемой люминофором при столкновении с частицей высокой энергии. Более низкий уровень света, который может быть обнаружен, улучшит чувствительность устройств, позволяя им фиксировать более низкие уровни излучения. Для обнаружения излучения, испускаемого транспортными средствами или грузовыми контейнерами, требуется большая площадь детектора, которую было бы легче сделать из органических фотоэлементов, чем из массивов кремниевых фотодиодов.

Органические фотодиоды могут быть более предпочтительны при использовании в рентгеновском оборудовании, где необходимо минимизировать возможный уровень облучения пациентов. Здесь опять же, чувствительность, большая площадь и гибкий форм-фактор должны предоставить органическим фотодиодам преимущество перед матрицами на основе кремния.

«Сейчас ведется работа над улучшением времени отклика фотодетектора, потому что это позволит существенно расширить область их применения». «Существует реальная потребность в разработке технологий изготовления фотодетекторов, которые были бы более масштабируемыми».

Органические фотодиоды могут показывать значения тока электронного шума в диапазоне десятков фемтоампер и эквивалентной его мощности в несколько сотен фемтоватт. Ключевые показатели производительности органических фотодиодов сопоставимы с кремниевыми, за исключением времени отклика, значение которого планируется уменьшить в сто крат, чтобы расширить возможности их применения в будущем.

«Органические тонкие пленки поглощают свет более эффективно, чем кремний, поэтому общая толщина, необходимая для поглощения одно и того же количества света, оказывается намного меньше». «Даже если увеличить их площадь, общий размер детектора из-за наличия органических веществ останется небольшим. Если увеличить площадь кремниевого детектора, то общий объем материалов в этом случае сильно увеличится, и при комнатной температуре они будут создавать много электронных помех».

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

Связанная статья журнала Science:

https://doi.org/10.1126/science.aba2624

Источник: Georgia Institute of Technology