灵敏度高面积大，有机光电二极管在可穿戴设备中有望大展身手

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柔性大面积有机光电二极管的性能已经优于传统硅光电二极管技术，特别是对于生物医学成像和生物特征监测等要求在大范围内检测低强度光的应用。

柔性大面积有机光电二极管的性能已经优于传统硅光电二极管技术，特别是对于生物医学成像和生物特征监测等要求在大范围内检测低强度光的应用。
低噪声，经过固溶处理的柔性有机器件提供了使用任意形状的大面积光电二极管来替换传统硅光电二极管所需的复杂阵列的能力，这对于大面积应用而言可能非常昂贵。除了响应时间之外，有机器件在可见光谱中的性能都可与刚性硅光电二极管媲美。

图：柔性大面积有机光电二极管可提高可穿戴设备测试心率血氧的性能
在大面积应用中，传统硅光电二极管要构成复杂的阵列才能显示，成本就非常高。而低噪声的柔性有机器件就很有优势，经过固溶处理以后，可以构成任意形状的大面积光电二极管，而且除了响应时间略差，有机器件在可见光谱中的性能也能与刚性硅光二极管媲美。
乔治亚州理工学院电气与计算机工程学院首席研究科学家Canek Fuentes-Hernandez说：“我们首先证明了，这些由低温溶液制成的器件，每秒可检测到几十万个光子的可见光，这与深夜中一颗恒星射入人眼的光量很接近。能够将这些材料涂覆到任意形状的大面积基板上的能力意味着，在要求响应时间在数十微秒范围内的应用中，柔性有机光电二极管相对于现有的硅光电二极管技术具有明显的优势。”
大面积、低噪声的有机光电二极管的发展状况刊登在11月6日的《科学》期刊上。这项研究得到了包括美国海军研究办公室、空军科学研究所以及美国能源部国家核安全局等多家组织的支持。

图：小面积的硅器件（左）与大面积有机器件（右）对比
与基于硅的无机半导体器件不同，有机电子器件一般由碳基分子或聚合物制成，不像传统电子器件生产制造设备昂贵、工艺复杂，有机电子器件用简单的溶剂和喷墨打印机就可以生产。该技术现已广泛应用于显示器、太阳能电池和其他器件中。
有机光电二极管使用聚乙烯亚胺——一种含有胺的聚合物表面改性剂，被发现可在佐治亚理工学院伯纳德·基佩伦教授和约瑟夫·M·佩提特实验室研发的光电器件中产生空气稳定的低功函数电极。
该论文第一作者Fuentes-Hernandez说：“多年来，（可检测）暗电流水平降低了很多，以至于检测设备要重新设计，以探测出一个电子在百万分之一秒内波动所对应的噪声。”这项工作反映了Kippelen团队在六年多时间里所做的持续努力，其中包括刚毕业的Talha Kahn和周文方（音，Wen-FangChou）博士的工作。Kippelen团队的共同努力科学地揭示了有机光电二极管达到当前性能所需的原理。
新器件的一种应用是用于测量心率和血氧的手指脉搏血氧仪。利用有机光电二极管技术，可以同时在人体放置多颗器件，而且只需要传统设备十分之一的光强度就能操作，这使得可穿戴健康监护设备能采集更准确的生理信息，并且无需频繁更换电池就能进行连续监护。其他可能的应用包括非接触手势识别与控制等人机交互领域。
将来还可以用于闪烁式电离辐射检测——荧光粉在被高能粒子撞击时会闪光。降低可以检测到的光水平将能提高设备的灵敏度，使其能够检测到较低水平的辐射，例如检测从车辆或货物集装箱发出的辐射，这种检测需要较大的检测器区域，与硅光电二极管阵列相比，用有机光电二极管实现起来起来更容易。
在X光设备中，有机光电二极管也有类似的优势。在X光设备中，医生希望使用最小辐射剂量，以最大程度减小对患者的影响，高灵敏度、面积大、形状灵活的有机光电二极管就比硅光二极管有很多优势。

论文第一作者Fuentes-Hernandez
Fuentes-Hernandez说：“我们正在努力提高光电探测器的响应速度，因为快速光电探测器有很多其他重要的应用场景。（在探测领域）开发更具可扩展性的光电检测器技术是刚需，我们知道这项技术低成本可扩展性很好，这就是我们研究有机光电探测器的动机之一。”
有机光电二极管可以显示数十飞安（fA）大小的电子噪声电流值，以及数百飞瓦（fW）的噪声等效功率值。除了在响应时间上略逊一筹，有机光电二极管的其他关键性能参数可与硅器件相媲美，研究人员还在努力进行百倍的提升，以满足未来应用的需求。
Kippelen说：“由于我们使用的材料来自于印刷技术中的油墨，它们的排列不及晶体材料规则。所以，载流子的迁移率和速度较低，因此无法获得与硅一样的快速信号。但是对于许多应用而言，并不需要皮秒或纳秒响应时间。”
对于Kippelen来说，当前光电二极管的研究成果是过去25年努力提升有机电子材料性能的自然结果，此项研究也部分隶属于佐治亚理工学院有机光子学和电子学中心，该中心参与了器件建模的基础研究，并研究如何持续提高材料的性能。
Kippelen说：“有机材料比硅材料吸收光的效率更高，因此吸收同等光量所需的总厚度很小。即使扩大有机材料的面积，有机光电探测器的总体积仍然很小。如果增加硅光电探测器的面积，体积增加会很多，而且室温下会产生大量电子噪声。”
Kippelen实验室制造的光电二极管使用仅500纳米厚的活性层。一克大约指尖大小的材料，可覆盖一张办公桌的表面。
Kippelen希望这篇论文能帮助有机半导体打开发展空间，他说：“传统观念认为，要以牺牲性能为代价，才可使用有机材料做可扩展的设备。我们的研究成果将改变这种传统观念，这项研究成果的应用场景将超出我们的预期。”
论文标题为《Large-area low-noise flexible organic photodiodes for detecting faint visible light》。
文章来源：佐治亚理工大学、TechSugar

IEEE Spectrum

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