Photodiodes organiques flexibles haute performance égalant ou dépassant les dispositifs silicium

La performance des photodiodes organiques flexibles de grande surface a progressé au point qu'elles peuvent maintenant offrir des avantages sur la technologie conventionnelle des photodiodes silicium, particulièrement 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, traités en solution, à faible bruit, offrent la possibilité d'utiliser des photodiodes de forme arbitraire et de grande surface pour remplacer les réseaux complexes qui seraient requis avec les photodiodes silicium conventionnelles, qui peuvent être coûteuses à mettre à l'échelle pour des applications de grande surface. Les dispositifs organiques offrent une performance comparable à celle des photodiodes silicium rigides dans le spectre visible — sauf en temps de réponse.

« Ce que nous avons réalisé est la première démonstration que ces dispositifs, produits à partir de solution à basse température, peuvent détecter aussi peu que quelques centaines de milliers de photons de lumière visible par seconde, similaire à l'ordre de grandeur de la lumière atteignant notre œil depuis une seule étoile dans un ciel sombre », a déclaré Canek Fuentes-Hernandez, scientifique principal de recherche à l'École de Génie Électrique et Informatique au Georgia Institute of Technology. « La capacité de déposer ces matériaux sur des substrats de grande surface avec des formes arbitraires signifie que les photodiodes organiques flexibles offrent maintenant des avantages clairs sur les photodiodes silicium de pointe dans les applications nécessitant des temps de réponse dans la gamme de dizaines de microsecondes. »

Les dispositifs électroniques organiques sont basés sur des matériaux fabriqués à partir de molécules ou polymères à base de carbone au lieu de semi-conducteurs inorganiques conventionnels comme le silicium. Les dispositifs peuvent être fabriqués en utilisant des techniques simples de solution et d'impression 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 dispositifs.

Les photodiodes organiques utilisent du polyéthylèneimine, un polymère modificateur de surface contenant des amines, qui s'est avéré produire des électrodes à faible fonction de travail stables dans l'air dans des dispositifs photovoltaïques développés dans le laboratoire de Bernard Kippelen, Professeur Joseph M. Pettit à Georgia Tech. L'utilisation de polyéthylèneimine a également été montrée pour produire 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 capter de faibles signaux de lumière visible.

Une application pour les nouveaux dispositifs 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 dispositifs sur le corps et de fonctionner avec 10 fois moins de lumière que les dispositifs 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-machine telles que la reconnaissance et les contrôles gestuels sans contact.

Une application future est la détection de rayonnement ionisant par scintillation — un éclair de lumière émis par un phosphore lorsqu'il est frappé par une particule à haute énergie. L'abaissement du niveau de lumière détectable améliorerait la sensibilité du dispositif, lui permettant de détecter de plus faibles niveaux de rayonnement. La détection de rayonnement émis par des véhicules ou des conteneurs de fret nécessite une grande surface de détecteur, qui serait plus facile à fabriquer à partir de photodiodes organiques que de réseaux de photodiodes silicium.

Les photodiodes organiques pourraient avoir des avantages similaires dans les équipements à rayons X, où les médecins veulent utiliser le plus petit niveau de rayonnement possible pour minimiser la dose délivrée au patient. Ici 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.

Les photodiodes organiques peuvent afficher des valeurs de courant de bruit électronique dans la gamme de dizaines de femtoampères et des valeurs de puissance équivalente de 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 centuple pour permettre les applications futures.

« Les films minces organiques absorbent la lumière plus efficacement que le silicium, donc l'épaisseur globale 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 organiques. Si vous augmentez la surface d'un détecteur silicium, vous avez un volume plus grand 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 du matériau, environ la taille d'un bout de doigt, pourrait recouvrir la surface d'un bureau de bureau.