Flexible, hochleistungsfähige organische Photodioden erreichen oder übertreffen Silicium-Geräte

Die Leistung flexibler großflächiger organischer Photodioden hat sich so weit entwickelt, dass sie nun Vorteile gegenüber konventioneller Silicium-Photodiodentechnologie bieten können, insbesondere für Anwendungen wie biomedizinische Bildgebung und biometrisches Monitoring, die das Detektieren niedriger Lichtpegel über große Flächen erfordern. Die rauscharmen, lösungsprozessierten, flexiblen organischen Geräte bieten die Möglichkeit, beliebig geformte, großflächige Photodioden einzusetzen, um komplexe Arrays zu ersetzen, die mit konventionellen Silicium-Photodioden erforderlich wären, die für großflächige Anwendungen teuer in der Skalierung sein können. Die organischen Geräte bieten eine Leistung, die mit der von starren Silicium-Photodioden im sichtbaren Lichtspektrum vergleichbar ist – außer in der Ansprechzeit.

„Was wir erreicht haben, ist die erste Demonstration, dass diese Geräte, die aus Lösung bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden, so wenig wie ein paar hunderttausend Photonen sichtbaren Lichts pro Sekunde detektieren können, ähnlich der Lichtmenge, die unser Auge von einem einzelnen Stern in dunklem Himmel erreicht“, sagte Canek Fuentes-Hernandez, Principal Research Scientist 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 Photodioden nun klare Vorteile gegenüber State-of-the-Art Silicium-Photodioden in Anwendungen bieten, die Ansprechzeiten im Bereich von Zehn Mikrosekunden erfordern.“

Organische elektronische Bauelemente basieren auf Materialien, die aus kohlenstoffbasierten Molekülen oder Polymeren anstelle konventioneller anorganischer Halbleiter wie Silicium gefertigt werden. Die Bauelemente können mit einfachen Lösungs- und Tintenstrahldrucktechniken hergestellt werden, anstatt der teuren und komplexen Prozesse, die bei der Herstellung konventioneller Elektronik involviert sind. Die Technologie wird jetzt breit in Displays, Solarzellen und anderen Geräten eingesetzt.

Die organischen Photodioden verwenden Polyethylenimin, ein amin-haltiges Polymer-Oberflächenmodifikator, der sich als luftstabile, niedrige-Arbeitsfunktions-Elektroden in photovoltaischen Geräten erwiesen hat, die im Labor von Bernard Kippelen, Joseph M. Pettit Professor am Georgia Tech, entwickelt wurden. Die Verwendung von Polyethylenimin wurde auch gezeigt, um photovoltaische Geräte mit niedrigen Dunkelstrompegeln zu erzeugen – dem elektrischen Strom, der durch ein Gerät fließt, selbst im Dunkeln. Das bedeutete, dass die Materialien in Photodetektoren für das Erfassen schwacher Signale sichtbaren Lichts nützlich sein könnten.

Eine Anwendung für die neuen Geräte ist in Pulsoximetern, die jetzt an Fingern platziert werden, um Herzfrequenz und Blutsauerstoffgehalt zu messen. Organische Photodioden könnten es ermöglichen, mehrere Geräte am Körper zu platzieren und mit 10-mal weniger Licht als konventionelle Geräte zu arbeiten. Dies könnte tragbaren Gesundheitsmonitoren ermöglichen, verbesserte physiologische Informationen und kontinuierliches Monitoring ohne häufige Batteriewechsel zu liefern. Andere potenzielle Anwendungen umfassen Mensch-Computer-Schnittstellen wie berührungslose Gestenerkennung und -steuerung.

Eine zukünftige Anwendung ist die Detektion ionisierender Strahlung durch Szintillation – ein Lichtblitz, der von einem Phosphor emittiert wird, wenn er von einem hochenergetischen Teilchen getroffen wird. Die Senkung des detektierbaren Lichtpegels würde die Empfindlichkeit des Geräts verbessern und es ermöglichen, niedrigere Strahlungspegel zu detektieren. Die Detektion von Strahlung, die von Fahrzeugen oder Frachtcontainern emittiert wird, erfordert einen großen Detektorbereich, der aus organischen Photodioden einfacher herzustellen wäre als aus Arrays von Silicium-Photodioden.

Organische Photodioden könnten ähnliche Vorteile in Röntgengeräten haben, wo Ärzte die kleinste mögliche Strahlungsdosis verwenden wollen, um die dem Patienten verabreichte Dosis zu minimieren. Auch hier sollten Empfindlichkeit, große Fläche und flexibler Formfaktor organischen Photodioden einen Vorteil gegenüber siliziumbasierten Arrays geben.

Die organischen Photodioden können elektronische Rauschstromwerte im Zehner-Femtoampere-Bereich und rauschäquivalente Leistungswerte von ein paar hundert Femtowatt aufweisen. Wesentliche Leistungsfaktoren der organischen Photodioden vergleichen sich gut mit Silicium, außer im Bereich der Ansprechzeit, wo Forscher an einer hundertfachen Verbesserung arbeiten, um zukünftige Anwendungen zu ermöglichen.

„Organische Dünnschichten absorbieren Licht effizienter als Silicium, daher ist die gesamte Dicke, die Sie benötigen, um dieses Licht zu absorbieren, sehr klein“, sagte Kippelen. „Selbst wenn Sie ihre Fläche skalieren, bleibt das Gesamtvolumen Ihres Detektors mit Organika klein. Wenn Sie die Fläche eines Silicium-Detektors erhöhen, haben Sie ein größeres Volumen an Material, das bei Raumtemperatur viel elektronisches Rauschen erzeugt.“

Die in Kippelns Labor hergestellten Photodioden verwenden eine aktive Schicht von nur 500 Nanometern Dicke. Ein Gramm des Materials, ungefähr so groß wie eine Fingerspitze, könnte die Oberfläche eines Bürotisches beschichten.