Fotodiodos orgânicos flexíveis de grande área podem competir com dispositivos de silício

O desempenho dos fotodiodos orgânicos flexíveis de grande área avançou a ponto de agora oferecerem vantagens sobre a tecnologia convencional de fotodiodos de silício, particularmente para aplicações como imagens biomédicas e monitoramento biométrico que exigem a detecção de baixos níveis de luz em grandes áreas. Os dispositivos orgânicos flexíveis e de baixo ruído, processados ​​em solução, oferecem a capacidade de usar fotodiodos de grande área de formato arbitrário para substituir matrizes complexas que seriam necessárias com fotodiodos de silício convencionais, que podem ser caros para escalar para aplicações de grande área. Os dispositivos orgânicos oferecem desempenho comparável ao dos fotodiodos de silício rígido no espectro de luz visível - exceto no tempo de resposta.

“O que conseguimos é a primeira demonstração de que esses dispositivos, produzidos a partir de soluções em baixas temperaturas, podem detectar apenas algumas centenas de milhares de fótons de luz visível a cada segundo, semelhante à magnitude da luz que chega ao nosso olho de uma única estrela em um céu escuro”, disse Canek Fuentes-Hernandez, principal pesquisador da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação do Instituto de Tecnologia da Geórgia. “A capacidade de revestir esses materiais em substratos de grande área com formas arbitrárias significa que fotodiodos orgânicos flexíveis agora oferecem algumas vantagens claras sobre fotodiodos de silício de última geração em aplicações que exigem tempos de resposta na faixa de dezenas de microssegundos”.

Os dispositivos eletrônicos orgânicos são baseados em materiais fabricados a partir de moléculas ou polímeros à base de carbono, em vez de semicondutores inorgânicos convencionais, como o silício. Os dispositivos podem ser feitos usando soluções simples e técnicas de impressão a jato de tinta, em vez dos processos caros e complexos envolvidos na fabricação de eletrônicos convencionais. A tecnologia agora é amplamente utilizada em monitores, células solares e outros dispositivos.

Os fotodiodos orgânicos usam polietilenoimina, um modificador de superfície de polímero contendo amina que produz eletrodos estáveis ​​ao ar e de baixa função de trabalho em dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos no laboratório de Bernard Kippelen, professor Joseph M. Pettit da Georgia Tech. O uso de polietilenoimina também mostrou produzir dispositivos fotovoltaicos com baixos níveis de corrente escura – a corrente elétrica que flui através de um dispositivo mesmo no escuro. Isso significava que os materiais poderiam ser úteis em fotodetectores para capturar sinais fracos de luz visível.

Uma aplicação para os novos dispositivos está em oxímetros de pulso agora colocados nos dedos para medir a frequência cardíaca e os níveis de oxigênio no sangue. Os fotodiodos orgânicos podem permitir que vários dispositivos sejam colocados no corpo e operem com 10 vezes menos luz do que os dispositivos convencionais. Isso pode permitir que monitores de saúde vestíveis produzam informações fisiológicas aprimoradas e monitoramento contínuo sem trocas frequentes de bateria. Outras aplicações potenciais incluem interfaces homem-computador, como reconhecimento de gestos e controles sem toque.

Uma aplicação futura é a detecção de radiação ionizante por cintilação - um flash de luz emitido por um fósforo quando atingido por uma partícula de alta energia. Reduzir o nível de luz que pode ser detectado melhoraria a sensibilidade do dispositivo, permitindo detectar níveis mais baixos de radiação. A detecção de radiação emitida por veículos ou contêineres de carga requer uma grande área de detecção, que seria mais fácil de fazer a partir de fotodiodos orgânicos do que de matrizes de fotodiodos de silício.

Os fotodiodos orgânicos podem ter vantagens semelhantes em equipamentos de raios-X, onde os médicos querem usar o menor nível de radiação possível para minimizar a dose entregue ao paciente. Aqui, novamente, a sensibilidade, a grande área e o fator de forma flexível devem dar aos fotodiodos orgânicos uma vantagem sobre os arrays baseados em silício.

Os fotodiodos orgânicos podem mostrar valores de corrente de ruído eletrônico na faixa de dezenas de femtoampere e valores de potência equivalentes de ruído de algumas centenas de femtowatt. Os principais fatores de desempenho dos fotodiodos orgânicos se comparam bem com o silício, exceto na área de tempo de resposta, onde os pesquisadores estão trabalhando em uma melhoria de cem vezes para permitir aplicações futuras.

“Os filmes finos orgânicos absorvem a luz de forma mais eficiente do que o silício, então a espessura geral necessária para absorver essa luz é muito pequena”, disse Kippelen. “Mesmo se você aumentar sua área, o volume geral do seu detector permanece pequeno com orgânicos. Se você aumentar a área de um detector de silício, terá um volume maior de materiais que à temperatura ambiente gerará muito ruído eletrônico.”

Os fotodiodos feitos no laboratório de Kippelen usam uma camada ativa de apenas 500 nanômetros de espessura. Um grama do material, aproximadamente do tamanho da ponta de um dedo, poderia revestir a superfície de uma mesa de escritório.