Fotodiodos Orgánicos Flexibles de Alto Rendimiento Igualan o Superan Dispositivos de Silicio

El rendimiento de fotodiodos orgánicos flexibles de gran área ha avanzado al punto que ahora pueden ofrecer ventajas sobre la tecnología convencional de fotodiodos de silicio, 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, procesados en solución, ofrecen la capacidad de usar fotodiodos de gran área con formas arbitrarias para reemplazar arrays complejos que se requerirían con fotodiodos de silicio convencionales, que pueden ser costosos de escalar para aplicaciones de gran área. Los dispositivos orgánicos proporcionan rendimiento comparable al de fotodiodos de silicio rígidos en el espectro de luz visible —excepto en tiempo de respuesta.

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

Los dispositivos electrónicos orgánicos se basan en materiales fabricados a partir de moléculas basadas en carbono o polímeros en lugar de semiconductores inorgánicos convencionales como el silicio. Los dispositivos pueden fabricarse usando técnicas simples de solución e impresión por inyección de tinta en lugar de los procesos costosos y complejos involucrados en la fabricación de electrónica convencional. La tecnología ahora se usa ampliamente en pantallas, celdas solares y otros dispositivos.

Los fotodiodos orgánicos usan polietilenimina, un modificador de superficie de polímero que contiene amina que se encontró produce electrodos de función de trabajo baja estables al aire en dispositivos fotovoltaicos desarrollados en el laboratorio de Bernard Kippelen, Profesor Joseph M. Pettit en Georgia Tech. El uso de polietilenimina también mostró producir 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 tenues de luz visible.

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

Una aplicación futura es 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 puede detectarse mejoraría la sensibilidad del dispositivo, permitiéndole detectar niveles más bajos de radiación. Detectar radiación emitida de vehículos o contenedores de carga requiere un área de detector grande, que sería más fácil de hacer con fotodiodos orgánicos que con arrays de fotodiodos de silicio.

Los fotodiodos orgánicos podrían tener ventajas similares en equipos de rayos X, donde los médicos quieren usar el nivel más pequeño de radiación posible para minimizar la dosis entregada al paciente. Aquí de nuevo, sensibilidad, gran área y factor de forma flexible deberían dar ventaja a los fotodiodos orgánicos sobre arrays basados 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 clave de rendimiento de los fotodiodos orgánicos se comparan bien con silicio excepto en el área de tiempo de respuesta, donde los investigadores están trabajando en una mejora de cien veces para habilitar aplicaciones futuras.

"Las películas delgadas orgánicas absorben luz más eficientemente que el silicio, así que el grosor total que necesitas para absorber esa luz es muy pequeño", dijo Kippelen. "Incluso si escalas su área, el volumen total de tu detector permanece pequeño con orgánicos. Si aumentas el área de un detector de silicio, tienes un volumen mayor de materiales que a temperatura ambiente generarán mucho ruido electrónico."

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