Grote flexibele organische fotodiodes kunnen concurreren met siliciumapparaten

De prestaties van flexibele organische fotodiodes met een groot oppervlak zijn zo ver gevorderd dat ze nu voordelen kunnen bieden ten opzichte van conventionele siliciumfotodiodetechnologie, met name voor toepassingen zoals biomedische beeldvorming en biometrische bewaking waarbij lage lichtniveaus over grote gebieden moeten worden gedetecteerd. De geluidsarme, in oplossing verwerkte, flexibele organische apparaten bieden de mogelijkheid om willekeurig gevormde fotodiodes met een groot oppervlak te gebruiken om complexe arrays te vervangen die nodig zouden zijn met conventionele siliciumfotodiodes, die duur kunnen zijn om op te schalen voor toepassingen met een groot oppervlak. De organische apparaten leveren prestaties die vergelijkbaar zijn met die van stijve siliciumfotodiodes in het zichtbare lichtspectrum, behalve in reactietijd.

"Wat we hebben bereikt, is de eerste demonstratie dat deze apparaten, geproduceerd uit een oplossing bij lage temperaturen, elke seconde slechts een paar honderdduizend fotonen zichtbaar licht kunnen detecteren, vergelijkbaar met de grootte van het licht dat ons oog bereikt van een enkele ster in een donkere lucht”, zegt Canek Fuentes-Hernandez, hoofdonderzoeker aan de School of Electrical and Computer Engineering van het Georgia Institute of Technology. "De mogelijkheid om deze materialen te coaten op substraten met een groot oppervlak met willekeurige vormen, betekent dat flexibele organische fotodiodes nu een aantal duidelijke voordelen bieden ten opzichte van ultramoderne siliciumfotodiodes in toepassingen die responstijden vereisen in het bereik van tientallen microseconden."

Organische elektronische apparaten zijn gebaseerd op materialen die zijn vervaardigd uit op koolstof gebaseerde moleculen of polymeren in plaats van conventionele anorganische halfgeleiders zoals silicium. De apparaten kunnen worden gemaakt met behulp van eenvoudige oplossings- en inkjetprinttechnieken in plaats van de dure en complexe processen die nodig zijn bij de productie van conventionele elektronica. De technologie wordt nu veel gebruikt in displays, zonnecellen en andere apparaten.

De organische fotodiodes maken gebruik van polyethyleenimine, een amine-bevattende polymeer oppervlaktemodificator die luchtstabiele elektroden met een lage werkfunctie produceert in fotovoltaïsche apparaten die zijn ontwikkeld in het laboratorium van Bernard Kippelen, Joseph M. Pettit Professor aan Georgia Tech. Het gebruik van polyethyleenimine bleek ook fotovoltaïsche apparaten te produceren met lage niveaus van donkerstroom - de elektrische stroom die zelfs in het donker door een apparaat stroomt. Dit betekende dat de materialen nuttig konden zijn in fotodetectoren voor het vastleggen van zwakke signalen van zichtbaar licht.

Een toepassing voor de nieuwe apparaten is in pulsoximeters die nu op vingers zijn geplaatst om de hartslag en het zuurstofgehalte in het bloed te meten. Met organische fotodiodes kunnen meerdere apparaten op het lichaam worden geplaatst en werken ze met 10 keer minder licht dan conventionele apparaten. Dit zou draagbare gezondheidsmonitors in staat kunnen stellen om verbeterde fysiologische informatie en continue monitoring te produceren zonder frequente batterijwissels. Andere mogelijke toepassingen zijn mens-computerinterfaces zoals herkenning en bediening van gebaren zonder aanraking.

Een toekomstige toepassing is detectie van ioniserende straling door middel van scintillatie - een lichtflits die wordt uitgezonden door een fosfor wanneer het wordt geraakt door een hoogenergetisch deeltje. Het verlagen van het lichtniveau dat kan worden gedetecteerd, zou de gevoeligheid van het apparaat verbeteren, waardoor het lagere stralingsniveaus kan detecteren. Het detecteren van straling die wordt uitgezonden door voertuigen of vrachtcontainers vereist een groot detectorgebied, dat gemakkelijker te maken is met organische fotodiodes dan met arrays van siliciumfotodiodes.

Organische fotodiodes zouden vergelijkbare voordelen kunnen hebben in röntgenapparatuur, waar artsen het kleinst mogelijke stralingsniveau willen gebruiken om de aan de patiënt geleverde dosis te minimaliseren. Ook hier zouden gevoeligheid, groot oppervlak en flexibele vormfactor organische fotodiodes een voordeel moeten geven ten opzichte van op silicium gebaseerde arrays.

De organische fotodiodes kunnen elektronische ruisstroomwaarden in het bereik van tientallen femtoampère en ruisequivalente vermogenswaarden van enkele honderden femtowatt weergeven. De belangrijkste prestatiefactoren van de organische fotodiodes zijn goed te vergelijken met silicium, behalve op het gebied van responstijd, waar onderzoekers werken aan een honderdvoudige verbetering om toekomstige toepassingen mogelijk te maken.

"Organische dunne films absorberen licht efficiënter dan silicium, dus de totale dikte die je nodig hebt om dat licht te absorberen is erg klein," zei Kippelen. "Zelfs als je hun gebied opschaalt, blijft het totale volume van je detector klein met organische stoffen. Als je het oppervlak van een siliciumdetector vergroot, heb je een groter volume aan materialen die bij kamertemperatuur veel elektronische ruis zullen genereren.”

De fotodiodes die in het lab van Kippelen zijn gemaakt, gebruiken een actieve laag van slechts 500 nanometer dik. Een gram van het materiaal, ongeveer zo groot als een vingertop, zou het oppervlak van een bureau kunnen bedekken.