Fotodiodos Orgânicos Flexíveis de Alto Desempenho Igualam ou Superam Dispositivos de Silício

O desempenho de fotodiodos orgânicos flexíveis de grande área avançou a ponto de agora poderem oferecer vantagens sobre a tecnologia convencional de fotodiodos de silício, particularmente para aplicações como imagem biomédica e monitoramento biométrico que requerem detecção de baixos níveis de luz em grandes áreas. Os dispositivos orgânicos flexíveis de baixo ruído, processados em solução, oferecem a capacidade de usar fotodiodos de grande área com formas arbitrárias para substituir arrays complexos que seriam necessários com fotodiodos de silício convencionais, que podem ser caros para escalar para aplicações de grande área. Os dispositivos orgânicos fornecem desempenho comparável ao de fotodiodos de silício rígidos no espectro de luz visível — exceto no tempo de resposta.

"O que alcançamos é a primeira demonstração de que esses dispositivos, produzidos a partir de solução a baixas temperaturas, podem detectar tão pouco quanto algumas centenas de milhares de fótons de luz visível a cada segundo, similar à magnitude de luz chegando ao nosso olho de uma única estrela em um céu escuro", disse Canek Fuentes-Hernandez, cientista principal de pesquisa na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação do Georgia Institute of Technology. "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 ponta em aplicações requerendo tempos de resposta na faixa de dezenas de microssegundos."

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

Os fotodiodos orgânicos usam polietilenimina, um modificador de superfície de polímero contendo amina encontrado para produzir eletrodos de função de trabalho baixa estáveis ao ar em dispositivos fotovoltaicos desenvolvidos no laboratório de Bernard Kippelen, Professor Joseph M. Pettit no Georgia Tech. O uso de polietilenimina 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 é em oxímetros de pulso agora colocados nos dedos para medir frequência cardíaca e níveis de oxigênio no sangue. Fotodiodos orgânicos podem permitir que múltiplos dispositivos sejam colocados no corpo e operem com 10 vezes menos luz que dispositivos convencionais. Isso poderia permitir monitores de saúde vestíveis produzirem informações fisiológicas aprimoradas e monitoramento contínuo sem frequentes trocas de bateria. Outras aplicações potenciais incluem interfaces homem-computador como reconhecimento e controles de gestos sem toque.

Uma aplicação futura é 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. Detectar radiação emitida de veículos ou contêineres de carga requer uma grande área de detector, que seria mais fácil de fazer a partir de fotodiodos orgânicos do que de arrays de fotodiodos de silício.

Fotodiodos orgânicos poderiam ter vantagens semelhantes em equipamentos de raio-X, onde médicos querem usar o menor nível de radiação possível para minimizar a dose entregue ao paciente. Aqui novamente, sensibilidade, grande área e fator de forma flexível devem dar vantagem aos fotodiodos orgânicos sobre 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 equivalente a ruído de algumas centenas de femtowatt. Fatores-chave de desempenho dos fotodiodos orgânicos comparam bem com silício exceto na área de tempo de resposta, onde pesquisadores estão trabalhando em uma melhoria de cem vezes para permitir aplicações futuras.

"Filmes finos orgânicos absorvem luz mais eficientemente que silício, então a espessura total que você precisa para absorver essa luz é muito pequena", disse Kippelen. "Mesmo se você escalar a área deles, o volume total do seu detector permanece pequeno com orgânicos. Se você aumentar a área de um detector de silício, você tem 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 de uma ponta de dedo, poderia cobrir a superfície de uma mesa de escritório.