Los fotodiodos orgánicos flexibles de área grande pueden competir con los dispositivos de silicio

El rendimiento de los fotodiodos orgánicos flexibles de gran área ha avanzado hasta el punto de que ahora pueden ofrecer ventajas sobre la tecnología de fotodiodos de silicio convencional, particularmente para aplicaciones como imágenes biomédicas y monitoreo biométrico que requieren detectar bajos niveles de luz en grandes áreas. Los dispositivos orgánicos flexibles, de bajo ruido y procesados ​​en solución ofrecen la capacidad de usar fotodiodos de gran área con forma arbitraria para reemplazar matrices complejas que serían necesarias con fotodiodos de silicio convencionales, que pueden ser costosos de escalar para aplicaciones de gran área. Los dispositivos orgánicos proporcionan un rendimiento comparable al de los fotodiodos de silicio rígido en el espectro de luz visible, excepto en el tiempo de respuesta.

“Lo que hemos logrado es la primera demostración de que estos dispositivos, producidos a partir de una solución a bajas temperaturas, pueden detectar tan solo unos cientos de miles de fotones de luz visible cada segundo, similar a la magnitud de la luz que llega a nuestro ojo desde una sola estrella en un cielo oscuro”, dijo Canek Fuentes-Hernández, científico investigador principal de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática del Instituto de Tecnología de Georgia. "La capacidad de recubrir estos materiales sobre sustratos de gran superficie con formas arbitrarias significa que los fotodiodos orgánicos flexibles ahora ofrecen algunas ventajas claras sobre los fotodiodos de silicio de última generación en aplicaciones que requieren tiempos de respuesta en el rango de decenas de microsegundos". /P>

Los dispositivos electrónicos orgánicos se basan en materiales fabricados a partir de moléculas o polímeros a base de carbono en lugar de semiconductores inorgánicos convencionales como el silicio. Los dispositivos se pueden fabricar utilizando técnicas de impresión de inyección de tinta y solución simple en lugar de los procesos costosos y complejos involucrados en la fabricación de productos electrónicos convencionales. La tecnología ahora se usa ampliamente en pantallas, células solares y otros dispositivos.

Los fotodiodos orgánicos utilizan polietilenimina, un modificador de superficie de polímero que contiene amina que produce electrodos estables al aire y de baja función de trabajo en dispositivos fotovoltaicos desarrollados en el laboratorio de Bernard Kippelen, profesor Joseph M. Pettit en Georgia Tech. También se demostró que el uso de polietilenimina produce dispositivos fotovoltaicos con bajos niveles de corriente oscura, la corriente eléctrica que fluye a través de un dispositivo incluso en la oscuridad. Esto significaba que los materiales podrían ser útiles en fotodetectores para capturar señales débiles de luz visible.

Una aplicación para los nuevos dispositivos está en los oxímetros de pulso que ahora se colocan en los dedos para medir la frecuencia cardíaca y los niveles de oxígeno en la sangre. Los fotodiodos orgánicos pueden permitir colocar múltiples dispositivos en el cuerpo y operar con 10 veces menos luz que los dispositivos convencionales. Esto podría permitir que los monitores de salud portátiles produzcan información fisiológica mejorada y monitoreo continuo sin cambios frecuentes de batería. Otras posibles aplicaciones incluyen interfaces hombre-computadora, como controles y reconocimiento de gestos sin contacto.

Una aplicación futura es la detección de radiación ionizante por centelleo, un destello de luz emitido por un fósforo cuando es golpeado por una partícula de alta energía. Reducir el nivel de luz que se puede detectar mejoraría la sensibilidad del dispositivo, permitiéndole detectar niveles más bajos de radiación. La detección de la radiación emitida por vehículos o contenedores de carga requiere un área de detección grande, que sería más fácil de fabricar con fotodiodos orgánicos que con conjuntos de fotodiodos de silicio.

Los fotodiodos orgánicos podrían tener ventajas similares en los equipos de rayos X, donde los médicos desean utilizar el menor nivel de radiación posible para minimizar la dosis administrada al paciente. Una vez más, la sensibilidad, el área grande y el factor de forma flexible deberían dar a los fotodiodos orgánicos una ventaja sobre las matrices basadas en silicio.

Los fotodiodos orgánicos pueden mostrar valores de corriente de ruido electrónico en el rango de decenas de femtoamperios y valores de potencia equivalente de ruido de un par de cientos de femtovatios. Los factores de rendimiento clave de los fotodiodos orgánicos se comparan bien con los del silicio, excepto en el área del tiempo de respuesta, donde los investigadores están trabajando en una mejora de cien veces para permitir futuras aplicaciones.

“Las películas delgadas orgánicas absorben la luz de manera más eficiente que el silicio, por lo que el espesor total que necesita para absorber esa luz es muy pequeño”, dijo Kippelen. “Incluso si amplía su área, el volumen total de su detector sigue siendo pequeño con compuestos orgánicos. Si aumenta el área de un detector de silicio, tiene un mayor volumen de materiales que, a temperatura ambiente, generarán mucho ruido electrónico”.

Los fotodiodos fabricados en el laboratorio de Kippelen usan una capa activa de solo 500 nanómetros de espesor. Un gramo del material, aproximadamente del tamaño de la yema de un dedo, podría cubrir la superficie de un escritorio de oficina.