大面積柔性有機光電二極體在可穿戴弱光光電探測器領域優於矽器件

2020-11-08 柔智燴

大面積柔性有機光電二極體在可穿戴弱光光電探測器領域優於矽器件

柔性大面積有機光電二極體的性能已經發展到可以與傳統的矽光電二極體技術相比提供的優勢，特別是對於諸如生物醫學成像和生物特徵監測等要求在大範圍內檢測低水平光的應用。

低噪聲，經過固溶處理的柔性有機器件提供了使用任意形狀的大面積光電二極體來替換傳統矽光電二極體所需的複雜陣列的能力，這對於大面積應用而言可能非常昂貴。

"我們取得的第一個證明是，這些裝置是由低溫溶液製成的，它們每秒可檢測多達幾十萬個光子的可見光，這與從一顆恆星到達我們的眼睛的光量相似。喬治亞州理工學院電氣與計算機工程學院首席研究科學家Canek Fuentes-Hernandez說。"能夠將這些材料塗覆到具有任意形狀的大面積基板上的能力意味著，在要求響應時間在數十微秒範圍內的應用中，柔性有機光電二極體相對於現有技術的矽光電二極體具有明顯的優勢。"

11月6日的《Science》雜誌描述了大面積，低噪聲的有機光電二極體的開發和性能。這項研究得到了多個組織的支持，其中包括海軍研究辦公室，空軍科學研究所以及美國能源部的國家核安全局。

柔性環形大面積有機光電二極體可以提高可穿戴式傳感器的性能，這些傳感器可監測心臟和肺部健康。

有機電子設備基於由碳基分子或聚合物製成的材料，而不是諸如矽之類的常規無機半導體。可以使用簡單的解決方案和噴墨列印技術來製造設備，而不是製造傳統電子設備所涉及的昂貴和複雜的過程。該技術現已廣泛用於顯示器，太陽能電池和其他設備中。

有機光電二極體使用聚乙烯亞胺，聚乙烯亞胺是一種含胺的聚合物表面改性劑，被發現可以在由喬治亞理工學院的Joseph M. Pettit教授的Bernard Kippelen實驗室開發的光伏設備中產生空氣穩定的低功函數電極。聚乙烯亞胺的使用也被證明可以生產出低水平暗電流的光伏器件，即使在黑暗中，該電流也流過器件。這意味著這些材料可能在光電探測器中用於捕獲可見光的微弱信號。

有機光電二極體可能比矽光電二極體大得多。與兩個大面積有機光電二極體相比，左側是矽光電二極體。

該論文的第一作者Fuentes-Hernandez說："多年來，暗電流水平降低了很多，以至於必須重新設計測量設備以檢測與一個電子的百萬分之一秒的波動相對應的電子噪聲。" "

新設備的一種應用是現在放在手指上的脈搏血氧儀，以測量心率和血氧水平。有機光電二極體可以允許將多個設備放置在人體上，並以比傳統設備少10倍的光進行操作。這可以使可穿戴式健康監護儀產生更佳的生理信息，並且無需頻繁更換電池就可以進行連續監護。其他潛在的應用包括人機界面，如非接觸式手勢識別和控制項。

未來的應用是通過閃爍檢測電離輻射-閃爍的螢光粉在被高能粒子撞擊時會發出閃光。降低可以檢測到的光水平將提高設備的靈敏度，使其能夠檢測到較低水平的輻射。檢測從車輛或貨物貨櫃發出的輻射需要較大的檢測器區域，與有機矽光電二極體陣列相比，用有機​光電二極體製造起來更容易。

有機光電二極體在X射線設備中可能具有類似的優勢，在X射線設備中，醫生希望使用儘可能最小的輻射水平，以最大程度地減少傳遞給患者的劑量。同樣，靈敏度，大面積和靈活的形狀因數應使有機光電二極體優於基於矽的陣列。

Fuentes-Hernandez說："我們正在努力改善光電探測器的響應時間，因為生產快速光電探測器將使許多其他重要應用成為可能。" "真正需要開發更具可擴展性的光電檢測器技術，這項工作的動機之一是發展我們知道對擴展具有成本效益的有機技術。"

有機光電二極體可以顯示數十飛安範圍內的電子噪聲電流值，以及數百飛瓦的噪聲等效功率值。除了在響應時間方面，有機光電二極體的關鍵性能因素可與矽相媲美，研究人員正在努力進行一百倍的改進以實現未來的應用。

喬治亞理工學院首席研究科學家Canek Fuentes-Hernandez擁有一個環形的大面積有機光電二極體，其性能可與矽基光電二極體相媲美。

載流子遷移率和可穿過這些材料的載流子速度較低，因此您無法獲得與矽一樣的快速信號。但是對於許多應用，您不需要皮秒或納秒響應時間。"Kippelen實驗室製造的光電二極體使用僅500納米厚的活性層。一克大約指尖大小的材料可能會覆蓋辦公室的表面。

Kippelen說："有機薄膜比矽吸收光的效率更高，因此吸收該光所需的總厚度很小。" "即使擴大它們的面積，使用有機物時探測器的總體積仍然很小。如果增加矽探測器的面積，則在室溫下您將擁有更大的材料體積，它們會產生很多電子噪聲。" "像這樣的進步將使我們改變傳統觀念，即轉向有機材料可導致可擴展的設備將意味著放棄性能。"

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