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来源 | 微信公众号 先进制造(LAM,新媒体工作组)
硅基光电二极管(SiPD)是光探测技术的基础,但刚性结构和低成本的有限面积限制了其在一些新兴领域中的应用。特别是可穿戴电子设备需要柔韧性和可拉伸性,以便能够与人体紧密结合。有机电子设备材料是碳基分子或聚合物,而不是传统的无机半导体如硅。这种设备可以使用简单的溶液法和喷墨打印技术来制造,而不需要涉及传统电子产品制造中昂贵、复杂的过程。相比机械柔性有限、刚性的SiPD探测器,基于有机聚合物分子的有机光电二极管(OPD)探测器由于其固有的机械柔性、易于加工、光电特性可调、优良的光传感性能和生物相容性,成为目前最具替代潜力的优选对象。传统SiPD在大面积应用中扩大尺寸的成本很高,而溶液法制备的柔性有机光电探测器(Flex-OPD)具备任意形状、大面积、柔性光电二极管的能力,从而可以取代传统SiPD所需的复杂阵列。图源:中国科学院长春光机所,Light学术出版中心,新媒体工作组近日,佐治亚理工学院的Bernard Kippelen教授团队首次制备并证实了在低温下条件、可溶液法制备并涂覆到任意形状、大面积基底上的Flex-OPD。并通过详细的实验表征手段证明了OPD每秒可以检测到少至几十万个光子的可见光,类似于黑暗天空中一颗恒星到达我们眼睛的光量。
除响应时间外,OPD的其他所有关键指标均可与目前最先进的低噪声SiPD相媲美。并将其与光电容积分扫描PPG传感器集成展示了其在可穿戴式健康监护、人机界面等领域的应用前景。证实了其出色的可检测微弱可见光的设计可能性和性能。该突破性创新成果以“Large-area low-noise flexible organic photodiodes for detecting faint visible light”为题在线发表在Science上。环形、大面积、Flex-OPD可提高监视心肺健康穿戴式传感器性能首先,如图1所示,OPD使用的是聚乙亚胺,这是一种含胺聚合物的表面改性剂,研究发现其可以制备空气稳定、低功耗的电极。聚乙烯亚胺也被证明能够制备产生低水平暗电流的光伏器件——即使在黑暗中,也能检测到电流信号的流过。这意味着这种材料可以在光电检测器中发挥作用,即用于捕捉微弱的可见光信号。使用注入阻挡层和聚(3-己基噻吩)(P3HT),一种茚-C60双加合物(ICBA)光敏层的OPD 仍然是目前表现最佳的OPD,其NEP值为800 fW。作者使用氧化铟锡(ITO)/聚乙烯亚胺乙氧基化(PEIE)和MoOx/Ag电极(即无注入阻挡层)、采用黑暗和光照条件下表征PD(材料和方法)的详细方法,对P3HT:ICBA OPD进行了系统地测量和表征。并对SiPD和OPD的性能进行了系列统计学上的比较。研究发现,OPD可显示出37飞安培范围的低均方根电子噪声电流(Irms)值和230飞瓦的低噪声等效功率值(NEP)。在可见光谱范围内除响应时间35μs外的所有关键性能指标中,优化的OPD均可与低噪声的SiPD相媲美,从而证明了可见光谱范围内与SiPD的统计可比水平,研究人员正在提高其响应时间以实现未来应用。图源:佐治亚理工学院、Science 370, 698–701 (2020). (Fig. 1)随后,研究人员针对P3HT:PCBM PD的光电检测器特性进行了表征,并揭示了电荷收集电极对低频电子噪声的影响。研究表明,通过P3HT对光生载流子进行有效的空穴传输(扩散),可以在装置的倒置几何形状(即底部的电子收集和顶部的电极的空穴收集)中使用厚的光敏层。作者还分析了常规几何形状的可比较OPD显示出降低的外量子效率EQE、频谱向频带边缘变窄的原因:关于器件几何形状的响应度差异归因于器件中存在两个不同的区域,一个区域的传输主要由扩散控制,另一个区域较窄,其主要是由于接触附近的带弯曲而引起的漂移。Kippelen表示,“有机薄膜比硅吸收光的效率更高,所以你需要吸收这些光的整体厚度非常小,即使你把它们的面积放大,使用有机材料探测器的整体体积仍然很小。而如果你增加硅探测器的面积,材料体积就会显著变大,在室温下会产生大量的电子噪声。”
图2. 适合P模型的稳态暗电流密度、“倒置”“常规”几何形状OPD稳态暗电流密度和电子噪声的比较图源:Science 370, 698–701 (2020). (Fig. S11, Fig. S12)最后,作者采用OPD制备了一种环形Flex-OPD集成在PPG传感器上、放在指尖即可用来测量心率和血氧水平的脉搏血氧仪。这种OPD允许将多个探测设备放置在人体上,可在比传统设备少10倍光线的情况下稳定工作(图3)。
这可以使可穿戴式健康监护仪采集获得更佳的生理信息,且无需频繁更换电池即可进行连续监护。这种大面积Flex-OPD其几何形状更适合于最大化SNR、最大化PPG功能、最小化PPG功耗,从而降低能耗、提高用户舒适度并降低传感器的成本。同样,OPD在X射线等CT扫描设备中也有类似优势,医生希望使用尽可能少的辐射,以最大限度地减少病人吸收的辐射剂量。而灵敏度、大面积和灵活柔性的外形尺寸使OPD比硅基阵列更具优势。此外,OPD还可以应用到如非接触式手势识别、控制等人机界面相关的其他潜在应用中。图源:Science 370, 698–701 (2020). (Fig. 4)Canek Fuentes-Hernandez表示:“我们所取得的成果首次证明了这些在低温下、溶液法制备的器件,每秒可以检测到少至几十万个光子的可见光,类似于黑暗天空中一颗恒星到达我们眼睛的光量。这些材料具备的可以涂覆到任意形状、大面积基板上的能力意味着:在要求响应时间在几十微秒范围内的应用中,柔性有机光电二极管比现在最先进的硅光电二极管具有一些明显的优势。” 论文的第一作者Fuentes-Hernandez表示:“我们正在努力改善OPD探测器的响应时间,因为生产快速光电探测器将使许多其他重要应用成为可能。”Canek Fuentes-Hernandez, Wen-Fang Chou, Talha M. Khan, et al. Large-area low-noise flexible organic photodiodes for detecting faint visible light. Science 370, 698–701 (2020).DOI: 10.1126/science.aba2624https://science.sciencemag.org/content/370/6517/698.full【直通原文】
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开 放 投 稿:Light:Advanced Manufacturing
ISSN 2689-9620
期 刊 网 站:www.light-am.com
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☞ 来源:中国科学院长春光机所,Light学术出版中心声明:本文所用视频、图片、文字如涉及版权问题,请第一时间告知,我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除.邮箱:zhaoyang789@ciomp.ac.cn