《Science》:媲美矽基,打響有機光電二極體商用第一炮

　　【矽基光電二極體困境】

　　光電二極體（Photodiode）和普通二極體一樣，也是由一個PN結組成的半導體器件。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件。傳統矽基光電二極體是光探測技術的基礎，目前已廣泛應用在播放器、照相機、CT成像等領域。然而，在大型電子器件應用中，基於傳統矽光電二極體的陣列結構複雜，且成本高昂。此外，在新興領域如無觸摸交互、可穿戴生物特徵監測、生物醫學成像等領域，由於機械性能以及外形因素（如形狀、尺寸等），傳統矽光電二極體無法勝任。

　　為了克服器件性能、面積、形狀、電路複雜性、功耗以及成本之間的「魚和熊掌」難題，研究人員對基於有機小分子、金屬滷化物鈣鈦礦、無機納米晶體和量子點材料的光電二極體進行了大量的研究，上述材料可以採用溶液法製備出低噪聲有機柔性器件具有大面積、自定義形狀等優勢，對傳統矽光電二極體所需的複雜陣列進行替換。然而，基於這些新材料的光電二極體器件的比探測率D*以及噪聲等效功率NEP（二者為光電二極體的關鍵參數）相較於傳統矽光電二極體仍存在巨大差距。

　　針對這一世界性難題，近日，美國喬治亞理工的Canek Fuentes-Hernandez和Bernard Kippelen合作，對P3HT:ICBA 有機光電二極體進行了極為詳細的表徵，深入剖析了電荷收集電極對低頻電子噪聲的影響，並對器件的半導體層和電極層進行優化。在可見光譜範圍內除響應時間外（仍足以兼容視頻速率）的所有指標中，優化後的有機光電二極體的性能均可與商用的低噪聲矽光電二極體相媲美（約200的噪聲等效功率以及2 × 1012 cm·Hz1/2W1的比探測率）。這種溶液法製備的有機光電二極體提供了多種設計機遇，例如在生物特徵識別監測應用中使用具有矽級性能的環形、大面積、柔性的有機光電二極體。該研究以題為「Large-area low-noise flexible organic photodiodes for detecting faint visible light」的論文發表在最新一期的《Science》上。

　　

　　【首次，媲美矽基器件】

　　論文第一作者，喬治亞理工電氣與計算機工程學院首席研究科學家Canek Fuentes-Hernandez表示，採用低溫溶液法製備的有機光電二極體器件每秒可檢測多達幾十萬個光子的可見光，與從一顆恆星到達我們的眼睛的光量相似。這些材料還可以塗覆到具有任意形狀的大面積基板上。在響應時間為數十微秒範圍內的應用中，這種大面積、自定義形狀製備的特性具有卓越優勢。

　　

　　在各類參數上，有機器件都可與商用矽基器件媲美

　　這種有機光電二極體器件使用了一種含胺的聚合物表面改性劑——聚乙烯亞胺（polyethylenimine），它能夠為光伏器件提供空氣穩定的、低功函數的電極。研究還表明，聚乙烯亞胺的使用可以實現極低暗電流（即使在黑暗中也流過設備的電流）光伏器件的製備。這意味著光電探測器能夠對微弱的可見光信號進行探測。

　　Canek Fuentes-Hernandez還表示，隨著技術的發展，暗電流的電流強度大大降低，研究人員不得不對測量設備進行重新設計，以檢測每百萬分之一秒僅有一個電子波動相對應的電子噪聲。該工作反映了Kippelen團隊六年多來持續不斷的努力，包括最近畢業的Talha Kahn和wenfang Chou博士。正是他們共同的努力才能創造出如此高質量的工作。

　　

　　有機器件與矽基器件穩態暗電流與電子噪聲對比

　　【巨大的應用潛力】

　　作者進一步探究了這種光電二極體器件在光電容積脈搏波（photoplethysmography，PPG）方向上的應用，將其放在手指上以測量心率和血氧水平。通過多個器件採集信號，這種新型器件運行時所需的光比傳統器件少了10倍。這將使可穿戴健康監視器在不頻繁更換電池的情況下產生更好的生理信息和持續監測。其他潛在的應用包括人機界面，如無觸控手勢識別和控制。

　　

　　基於有機光電二極體的脈搏血氧儀

　　此外，這種器件還可以通過閃爍（當一個高能量粒子擊中磷光體時發出的閃光）來探測電離輻射。降低可探測光的級別將提高設備的靈敏度，使器件能夠探測到較低水平的輻射。而探測從車輛或貨物貨櫃發出的輻射需要一個大的探測器區域，對於傳統矽基陣列而言，顯然是有機光電二極體更具優勢。

　　在x光設備上，為了儘量減少病人收到的輻射劑量，醫生需要使輻射水平最小化。在這一點上，靈敏度、大面積和靈活的形狀因素使有機光電二極體比矽基陣列具有優勢。

　　Canek Fuentes-Hernandez表示，他們正在努力改善這種有機光電探測器的響應時間，推動其在更多重要的應用中的發展。同時還在探討具有成本效益的工業化大規模生產。

　　器件展現出了數十飛安級別的電子噪聲電流值和200飛瓦的噪聲等效功率（Noise equivalent power，NEP）。除了響應時間，器件的關鍵性能因素可與商用矽光電二極體媲美。目前，研究人員正致力於對響應時間進行改進，以拓寬其應用範圍。

　　另一位通訊作者Kippelen表示，由於器件的材料是用印刷技術從油墨中加工出來的，不像晶體材料那樣有序。因此，載流子遷移率和以及載流子通過這些材料的速度更低，導致了較慢的響應時間。但實際應用中，許多場景下並不需要皮秒或納秒級別的響應時間。

　　對Kippelen而言，這項工作是25年來對有機電子材料性能改進的成果。它涉及到大量的設備建模，加深了對基礎科學的理解，同時還伴隨著對材料性能不斷提高的研究。

　　Kippelen表示，有機薄膜比矽薄膜吸收光的效率更高，所以吸收光所需的總厚度非常小。因此，即使擴大探測器的面積，有機物的體積仍然很小。相反，如果增加矽探測器的面積，器件材料的體積就會明顯增多，在室溫下會產生很多電子噪音。

　　這種光電二極體的活性層僅有500 nm厚。一克這種材料（大約指尖大小）就可以覆蓋整個辦公桌表面。

　　Kippelen還表示，這項工作打破了人們大面積有機器件性能不如矽基器件的傳統觀念，將有助於為有機半導體提供更多機遇。

　　來源：高分子科學前沿

　　聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！

特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺「網易號」用戶上傳並發布，本平臺僅提供信息存儲服務。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.