Les photodiodes organiques flexibles à grande surface peuvent concurrencer les dispositifs au silicium

Les performances des photodiodes organiques flexibles à grande surface ont progressé au point qu'elles peuvent désormais offrir des avantages par rapport à la technologie conventionnelle des photodiodes au silicium, 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 surfaces. Les dispositifs organiques flexibles à faible bruit, traités en solution offrent la possibilité d'utiliser des photodiodes de grande surface de forme arbitraire pour remplacer les matrices complexes qui seraient nécessaires avec des photodiodes au silicium conventionnelles, qui peuvent être coûteuses à mettre à l'échelle pour les applications de grande surface. Les dispositifs organiques offrent des performances comparables à celles des photodiodes en silicium rigide dans le spectre de la lumière visible, à l'exception du temps de réponse.

"Ce que nous avons réalisé est la première démonstration que ces appareils, produits à partir d'une solution à basse température, peuvent détecter aussi peu que quelques centaines de milliers de photons de lumière visible chaque seconde, similaire à la magnitude de la lumière atteignant notre œil à partir d'une seule étoile dans un ciel sombre », a déclaré Canek Fuentes-Hernandez, chercheur principal à la School of Electrical and Computer Engineering du Georgia Institute of Technology. "La possibilité 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 les applications nécessitant des temps de réponse de l'ordre de dizaines de microsecondes."

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 à l'aide de techniques simples d'impression par 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 à faible travail de travail stables à l'air dans les 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 polyéthylèneimine produisait des dispositifs photovoltaïques avec de faibles niveaux de courant d'obscurité - le courant électrique qui traverse un dispositif même dans l'obscurité. Cela signifiait que les matériaux pourraient être utiles dans les photodétecteurs pour capturer de faibles signaux de lumière visible.

Une application pour les nouveaux appareils est dans les oxymètres de pouls maintenant 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 de gestes 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 de haute énergie. L'abaissement du 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 rayonnements émis par les véhicules ou les conteneurs de fret nécessite une grande zone de détection, ce qui serait plus facile à fabriquer à partir de photodiodes organiques qu'à partir de réseaux de photodiodes au silicium.

Les photodiodes organiques pourraient avoir 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 matrices à base de silicium.

Les photodiodes organiques peuvent afficher des valeurs de courant de bruit électronique dans la gamme des dizaines de femtoampères et des valeurs de puissance équivalentes au bruit de quelques centaines de femtowatts. Les facteurs de performance clés 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.

"Les films minces organiques absorbent la lumière plus efficacement que le silicium, de sorte que l'épaisseur globale dont vous avez besoin pour absorber cette lumière est très petite", a déclaré Kippelen. "Même si vous agrandissez leur zone, le volume global de votre détecteur reste faible 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 la taille d'un doigt, pourrait recouvrir la surface d'un bureau.