Les photodiodes organiques flexibles de grande surface peuvent rivaliser avec les dispositifs au silicium

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Les performances des photodiodes organiques flexibles à grande surface ont évolué au point qu’elles peuvent désormais offrir des avantages par rapport à la technologie de photodiode au silicium conventionnelle, en particulier pour des applications telles que l’imagerie biomédicale et la surveillance biométrique qui nécessitent la détection de faibles niveaux de lumière sur de grandes zones.

Les dispositifs organiques flexibles à faible bruit, traités en solution, offrent la possibilité d’utiliser des photodiodes de forme arbitraire à grande surface pour remplacer les matrices complexes qui seraient nécessaires par des photodiodes au silicium conventionnelles, dont la mise à l’échelle peut être coûteuse pour les applications à grande surface. Les dispositifs organiques offrent des performances comparables à celles des photodiodes rigides en silicium dans le spectre de la lumière visible – sauf en temps de réponse.

“Ce que nous avons réalisé est la première démonstration que ces dispositifs, produits à partir de solutions à basse température, peuvent détecter aussi peu que quelques centaines de milliers de photons de lumière visible par seconde, similaire à la magnitude de la lumière atteignant notre œil d’une seule étoile en un ciel sombre », a déclaré Canek Fuentes-Hernandez, chercheur principal à la Faculté de génie électrique et informatique du Georgia Institute of Technology. “La capacité de revêtir ces matériaux sur des substrats de grande surface avec des formes arbitraires signifie que les photodiodes organiques flexibles offrent désormais des avantages évidents par rapport aux photodiodes au silicium de pointe dans des applications nécessitant des temps de réponse de l’ordre de dizaines de microsecondes.”

Le développement et les performances de photodiodes organiques à faible bruit et à grande surface sont décrits dans le numéro du 6 novembre de la revue Science. La recherche a été soutenue par plusieurs organisations, dont l’Office of Naval Research, le Air Force Office of Scientific Research et la National Nuclear Security Administration du Département américain de l’énergie.

Les dispositifs électroniques organiques sont basés sur des matériaux fabriqués à partir de molécules ou de polymères à base de carbone au lieu de semi-conducteurs inorganiques conventionnels tels que le silicium. Les dispositifs peuvent être fabriqués en utilisant des techniques simples d’impression en solution et à jet d’encre au lieu des processus coûteux et complexes impliqués dans la fabrication de l’électronique conventionnelle. La technologie est maintenant largement utilisée dans les écrans, les cellules solaires et d’autres appareils.

Les photodiodes organiques utilisent de la polyéthylèneimine, un modificateur de surface polymère contenant une amine qui produit des électrodes stables à l’air et à faible fonction de travail dans des dispositifs photovoltaïques développés dans le laboratoire de Bernard Kippelen, professeur Joseph M. Pettit à Georgia Tech. Il a également été démontré que l’utilisation de la polyéthylèneimine produisait des dispositifs photovoltaïques avec de faibles niveaux de courant d’obscurité – le courant électrique qui traverse un appareil même dans l’obscurité. Cela signifiait que les matériaux pouvaient être utiles dans les photodétecteurs pour capturer de faibles signaux de lumière visible.

«Au fil des ans, les niveaux de courant d’obscurité ont été tellement réduits que les équipements de mesure ont dû être repensés pour détecter un bruit électronique correspondant à une fluctuation d’un électron en un millionième de seconde», a déclaré Fuentes-Hernandez, premier auteur de l’article. . “Ce travail reflète les efforts soutenus de l’équipe du groupe Kippelen pendant plus de six ans et englobe une partie des travaux de doctorat des récents diplômés Talha Kahn et Wen-Fang Chou. Ces efforts collectifs ont produit les connaissances scientifiques nécessaires pour démontrer les photodiodes organiques avec ce niveau de performance. “

Une des applications des nouveaux appareils concerne les oxymètres de pouls désormais placés sur les doigts pour mesurer la fréquence cardiaque et les niveaux d’oxygène dans le sang. Les photodiodes organiques peuvent permettre de placer plusieurs appareils sur le corps et de fonctionner avec 10 fois moins de lumière que les appareils conventionnels. Cela pourrait permettre aux moniteurs de santé portables de produire des informations physiologiques améliorées et une surveillance continue sans changements fréquents de batterie. D’autres applications potentielles incluent les interfaces homme-ordinateur telles que la reconnaissance et les commandes gestuelles sans contact.

Une application future est la détection des rayonnements ionisants par scintillation – un flash de lumière émis par un luminophore lorsqu’il est frappé par une particule à haute énergie. Baisser le niveau de lumière qui peut être détecté améliorerait la sensibilité de l’appareil, lui permettant de détecter des niveaux de rayonnement inférieurs. La détection des radiations émises par les véhicules ou les conteneurs de fret nécessite une grande zone de détection, qui serait plus facile à réaliser à partir de photodiodes organiques qu’à partir de réseaux de photodiodes au silicium.

Les photodiodes organiques pourraient présenter des avantages similaires dans les équipements à rayons X, où les médecins souhaitent utiliser le plus petit niveau de rayonnement possible pour minimiser la dose délivrée au patient. Là encore, la sensibilité, la grande surface et le facteur de forme flexible devraient donner aux photodiodes organiques un avantage sur les réseaux à base de silicium.

“Nous travaillons à l’amélioration du temps de réponse du photodétecteur, car la production de photodétecteurs rapides permettrait de nombreuses autres applications importantes”, a déclaré Fuentes-Hernandez. “Il est vraiment nécessaire de développer des technologies de photodétecteurs plus évolutives, et l’une des motivations de ce travail est de faire progresser la technologie organique dont nous savons qu’elle est rentable pour la mise à l’échelle.”

Les photodiodes organiques peuvent afficher des valeurs de courant de bruit électronique dans la gamme des dizaines de femtoampères et des valeurs de puissance équivalente au bruit de quelques centaines de femtowatt. Les principaux facteurs de performance des photodiodes organiques se comparent bien au silicium, sauf dans le domaine du temps de réponse, où les chercheurs travaillent sur une amélioration au centuple pour permettre de futures applications.

“Parce que nous utilisons des matériaux qui sont traités à partir d’encres en utilisant des techniques d’impression, ils ne sont pas aussi ordonnés que les matériaux cristallins”, a déclaré Kippelen. “En conséquence, la mobilité des porteurs et la vitesse des porteurs qui peuvent se déplacer à travers ces matériaux sont plus faibles, de sorte que vous ne pouvez pas obtenir les mêmes signaux rapides que vous obtenez avec le silicium. Mais pour de nombreuses applications, vous n’avez pas besoin de picoseconde ou nanoseconde. Temps de réponse.”

Pour Kippelen, le travail de photodiode montre les résultats d’un effort de 25 ans pour améliorer les performances des matériaux électroniques organiques. Ce travail, qui fait partie du Center for Organic Photonics and Electronics de Georgia Tech, a impliqué une modélisation étendue des appareils pour comprendre la science fondamentale et des recherches pour améliorer continuellement les performances des matériaux.

“Les films minces organiques absorbent la lumière plus efficacement que le silicium, de sorte que l’épaisseur totale dont vous avez besoin pour absorber cette lumière est très petite”, a déclaré Kippelen. «Même si vous augmentez leur surface, le volume global de votre détecteur reste petit avec les matières organiques. Si vous augmentez la surface d’un détecteur au silicium, vous avez un plus grand volume de matériaux qui, à température ambiante, généreront beaucoup de bruit électronique.

Les photodiodes fabriquées dans le laboratoire de Kippelen utilisent une couche active de seulement 500 nanomètres d’épaisseur. Un gramme de matériau, à peu près de la taille d’un doigt, pourrait recouvrir la surface d’un bureau.

Kippelen espère que Science le papier aidera à ouvrir de nouvelles portes aux semi-conducteurs organiques.

«Des progrès comme celui-ci nous permettront de changer la sagesse conventionnelle selon laquelle le passage à des matériaux organiques qui peuvent conduire à des dispositifs évolutifs signifierait renoncer à la performance», a-t-il déclaré. “Nous ne pouvons pas anticiper toutes les nouvelles applications qui pourraient être activées par cette avancée.”

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