大面积柔性有机光电二极管可与硅器件竞争
大面积柔性有机光电二极管可与硅器件竞争
柔性大面积有机光电二极管的性能已经发展到可以与传统的硅光电二极管技术相比提供的优势，特别是对于诸如生物医学成像和生物特征监测等要求在大范围内检测低水平光的应用。
低噪声，经过固溶处理的柔性有机器件提供了使用任意形状的大面积光电二极管来替换传统硅光电二极管所需的复杂阵列的能力，这对于大面积应用而言可能非常昂贵。该有机器件提供性能比得上在可见光刚性硅光电二极管的频谱除了在响应时间
“我们已经取得的第一个证明是，这些装置是由低温溶液制成的，每秒可检测到几十万个光子的可见光，这与从一颗恒星到达我们的眼睛的光量相似。乔治亚州理工学院电气与计算机工程学院首席研究科学家Canek Fuentes-Hernandez说。“
能够将这些材料涂覆到具有任意形状的大面积基板上的能力意味着，在要求响应时间在数十微秒范围内的应用中，柔性有机光电二极管相对于现有技术的硅光电二极管具有明显的优势。”
11月6日的《科学》杂志描述了大面积，低噪声的有机光电二极管的开发和性能。这项研究得到了多个组织的支持，其中包括海军研究办公室，空军科学研究所以及美国能源部的国家核安全局。
有机电子设备基于由碳基分子或聚合物制成的材料，而不是诸如硅之类的常规无机半导体。可以使用简单的解决方案和喷墨打印技术来制造设备，而不是制造传统电子设备所涉及的昂贵和复杂的过程。该技术现已广泛用于显示器，太阳能电池和其他设备中。
有机光电二极管使用聚乙烯亚胺，聚乙烯亚胺是一种含胺的聚合物表面改性剂，被发现可以在佐治亚理工学院的Joseph M. Pettit教授的Bernard Kippelen实验室开发的光伏设备中生产空气稳定的低功函数电极。
聚乙烯亚胺的使用也被证明可以生产出暗电流水平低的光伏器件，暗电流即使在黑暗中也流过器件。这意味着这些材料可能在光电探测器中用于捕获可见光的微弱信号。
有机光电二极管可能比硅光电二极管大得多。与两个大面积有机光电二极管相比，左侧是硅光电二极管。
该论文的第一作者Fuentes-Hernandez说：“多年来，暗电流水平降低了很多，以至于必须重新设计测量设备以检测与一个电子的百万分之一秒的波动相对应的电子噪声。”
“这项工作反映了Kippelen团队在六年多的时间里所做的持续团队努力，其中包括刚毕业的Talha Kahn和Chou-Fang Fhou博士的工作。这些共同的努力产生了展示有机光电二极管所需的科学见解。具有这样的性能。”
新设备的一种应用是现在放在手指上的脉搏血氧仪，以测量心率和血氧水平。有机光电二极管可以允许将多个设备放置在人体上，并以比传统设备少10倍的光进行操作。这可以使可穿戴式健康监护仪产生更佳的生理信息，并且无需频繁更换电池就可以进行连续监护。其他潜在的应用包括人机界面，如非接触式手势识别和控件。
未来的应用是通过闪烁检测电离辐射-闪烁的荧光粉在被高能粒子撞击时会发出闪光。
降低可以检测到的光水平将提高设备的灵敏度，使其能够检测到较低水平的辐射。
检测从车辆或货物集装箱发出的辐射需要较大的检测器区域，与有机硅光电二极管阵列相比，用有机光电二极管制造起来更容易。
有机光电二极管在X射线设备中可能具有类似的优势，在X射线设备中，医生希望使用尽可能小的辐射水平，以最大程度地减少传递给患者的剂量。同样，灵敏度，大面积和灵活的形状因数应使有机光电二极管优于硅基阵列。
Fuentes-Hernandez说：“我们正在努力改善光电探测器的响应时间，因为生产快速光电探测器将使许多其他重要应用成为可能。”
“真正需要开发更具可扩展性的光电检测器技术，这项工作的动机之一就是发展我们知道对扩展具有成本效益的有机技术。”
有机光电二极管可以显示几十毫微安培范围内的电子噪声电流值和数百飞瓦的噪声等效功率值。
除了在响应时间方面，有机光电二极管的关键性能因素可与硅相媲美，研究人员正在努力进行一百倍的改进以实现未来的应用。
佐治亚理工学院首席研究科学家Canek Fuentes-Hernandez拥有一个环形的大面积有机光电二极管，其性能可与硅基光电二极管相媲美。图片提供：佐治亚理工学院Canek Fuentes-Hernandez
Kippelen说：“由于我们使用的是采用印刷技术从油墨中加工的材料，因此它们的订购量不及晶体材料。”
“结果是，载流子迁移率和可穿过这些材料的载流子速度较低，因此您无法获得与硅一样的快速信号。但是对于许多应用，您不需要皮秒或纳秒响应时间。”
对于Kippelen来说，光电二极管的工作表明了25年的努力改善有机电子材料性能的结果。这项工作是佐治亚理工学院有机光子学和电子学中心的一部分，涉及广泛的设备建模以了解基础科学，并进行研究以不断提高材料的性能。
Kippelen说：“有机薄膜比硅吸收光的效率更高，因此吸收该光所需的总厚度很小。”
“即使扩大它们的面积，使用有机物时探测器的总体积仍然很小。如果增加硅探测器的面积，则在室温下您将拥有更大的材料体积，会产生大量电子噪声。”
Kippelen实验室制造的光电二极管使用的活性层厚度仅为500纳米。一克大约指尖大小的材料可能会覆盖办公室的表面。
Kippelen希望《科学》杂志将为有机半导体打开新的大门。
他说：“像这样的进步将使我们改变传统观念，即转向有机材料可导致可扩展的设备将意味着放弃性能。” “我们无法预料到这种进展可能会启用所有新的应用程序。”
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