Großflächige flexible organische Fotodioden können mit Siliziumgeräten konkurrieren

Die Leistung flexibler großflächiger organischer Fotodioden ist so weit fortgeschritten, dass sie jetzt Vorteile gegenüber der herkömmlichen Silizium-Fotodiodentechnologie bieten können, insbesondere für Anwendungen wie die biomedizinische Bildgebung und die biometrische Überwachung, bei denen geringe Lichtstärken über große Bereiche hinweg erkannt werden müssen. Die rauscharmen, lösungsverarbeiteten, flexiblen organischen Bauelemente bieten die Möglichkeit, beliebig geformte, großflächige Fotodioden zu verwenden, um komplexe Arrays zu ersetzen, die mit herkömmlichen Silizium-Fotodioden erforderlich wären, deren Skalierung für großflächige Anwendungen teuer sein kann. Die organischen Bauelemente bieten im sichtbaren Lichtspektrum eine Leistung, die mit der von Fotodioden aus starrem Silizium vergleichbar ist – mit Ausnahme der Reaktionszeit.

„Was wir erreicht haben, ist die erste Demonstration, dass diese Geräte, die aus einer Lösung bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden, jede Sekunde nur wenige hunderttausend Photonen sichtbaren Lichts erkennen können, ähnlich der Stärke des Lichts, das unser Auge von einem einzelnen Stern erreicht ein dunkler Himmel“, sagte Canek Fuentes-Hernandez, leitender Forschungswissenschaftler an der School of Electrical and Computer Engineering am Georgia Institute of Technology. „Die Fähigkeit, diese Materialien auf großflächige Substrate mit beliebigen Formen zu beschichten, bedeutet, dass flexible organische Fotodioden jetzt einige klare Vorteile gegenüber hochmodernen Silizium-Fotodioden in Anwendungen bieten, die Reaktionszeiten im Bereich von mehreren zehn Mikrosekunden erfordern.“

Organische elektronische Geräte basieren auf Materialien, die aus kohlenstoffbasierten Molekülen oder Polymeren anstelle von herkömmlichen anorganischen Halbleitern wie Silizium hergestellt werden. Die Geräte können mit einfachen Lösungs- und Tintenstrahldrucktechniken anstelle der teuren und komplexen Prozesse hergestellt werden, die bei der Herstellung herkömmlicher Elektronik erforderlich sind. Die Technologie wird heute in großem Umfang in Displays, Solarzellen und anderen Geräten eingesetzt.

Die organischen Fotodioden verwenden Polyethylenimin, ein aminhaltiges Polymer-Oberflächenmodifizierungsmittel, von dem festgestellt wurde, dass es luftstabile Elektroden mit niedriger Austrittsarbeit in photovoltaischen Geräten produziert, die im Labor von Bernard Kippelen, Joseph M. Pettit Professor an der Georgia Tech, entwickelt wurden. Es wurde auch gezeigt, dass die Verwendung von Polyethylenimin photovoltaische Geräte mit geringem Dunkelstrom produziert – dem elektrischen Strom, der selbst im Dunkeln durch ein Gerät fließt. Dies bedeutete, dass die Materialien in Fotodetektoren zum Erfassen schwacher Signale von sichtbarem Licht nützlich sein könnten.

Eine Anwendung für die neuen Geräte sind Pulsoximeter, die jetzt an den Fingern angebracht werden, um die Herzfrequenz und den Blutsauerstoffgehalt zu messen. Organische Fotodioden können es ermöglichen, mehrere Geräte am Körper zu platzieren und mit 10-mal weniger Licht zu arbeiten als herkömmliche Geräte. Dies könnte es tragbaren Gesundheitsmonitoren ermöglichen, verbesserte physiologische Informationen und eine kontinuierliche Überwachung ohne häufigen Batteriewechsel zu liefern. Weitere potenzielle Anwendungen umfassen Mensch-Computer-Schnittstellen wie berührungslose Gestenerkennung und -steuerung.

Eine zukünftige Anwendung ist der Nachweis ionisierender Strahlung durch Szintillation – ein Lichtblitz, der von einem Leuchtstoff emittiert wird, wenn er von einem hochenergetischen Teilchen getroffen wird. Das Senken des detektierbaren Lichtpegels würde die Empfindlichkeit des Geräts verbessern und ihm ermöglichen, geringere Strahlungspegel zu detektieren. Die Detektion von Strahlung, die von Fahrzeugen oder Frachtcontainern emittiert wird, erfordert eine große Detektorfläche, die aus organischen Photodioden leichter herzustellen wäre als aus Anordnungen von Silizium-Photodioden.

Organische Photodioden könnten ähnliche Vorteile in Röntgengeräten haben, wo Ärzte die geringstmögliche Strahlung verwenden möchten, um die dem Patienten zugeführte Dosis zu minimieren. Auch hier sollten Empfindlichkeit, große Fläche und flexibler Formfaktor organischen Fotodioden einen Vorteil gegenüber siliziumbasierten Arrays verschaffen.

Die organischen Fotodioden können elektronische Rauschstromwerte im Bereich von mehreren zehn Femtoampere und äquivalente Rauschleistungswerte von einigen hundert Femtowatt aufweisen. Die wichtigsten Leistungsfaktoren der organischen Fotodioden lassen sich gut mit Silizium vergleichen, außer im Bereich der Reaktionszeit, wo Forscher an einer hundertfachen Verbesserung arbeiten, um zukünftige Anwendungen zu ermöglichen.

„Organische Dünnfilme absorbieren Licht effizienter als Silizium, sodass die Gesamtdicke, die Sie benötigen, um dieses Licht zu absorbieren, sehr gering ist“, sagte Kippelen. „Selbst wenn Sie ihre Fläche vergrößern, bleibt das Gesamtvolumen Ihres Detektors mit organischen Stoffen klein. Wenn Sie die Fläche eines Siliziumdetektors vergrößern, haben Sie ein größeres Materialvolumen, das bei Raumtemperatur viel elektronisches Rauschen erzeugt.“

Die in Kippelens Labor hergestellten Fotodioden verwenden eine nur 500 Nanometer dicke aktive Schicht. Ein Gramm des Materials, ungefähr so ​​groß wie eine Fingerspitze, könnte die Oberfläche eines Bürotisches beschichten.