大面积，低噪声，柔性有机光电二极管用于探测微弱可见光

美国佐治亚理工学院的研究人员描述了基于聚合物体异质结的有机光电二极管的特性，揭示了电荷收集电极对低频电子噪声的影响，证明了优化后的有机光电二极管的性能在可见光谱范围内的所有指标上都可以与低噪声硅光电二极管相媲美，其响应时间仍然与视频速率兼容。相关论文发表在《Science》上。

硅光敏二极管 (SiPD) 是光探测技术的基础，然而其刚性结构和低成本的有限面积缩放限制了它们在一些新兴应用中的使用。虽然有新兴的概率密度函数的外推二极管（PD）被报道，但其准确性有待提高。

有机电子设备基于由碳基分子或聚合物制成的材料，而不是诸如硅之类的常规无机半导体。这类设备可以使用简单的解决方案和喷墨打印技术来制造设备，不需要传统电子设备昂贵和复杂的制造过程。该技术现已广泛用于显示器，太阳能电池和其他设备中。

这里，研究人员使用氧化铟锡 (ITO)/乙氧基化聚乙烯亚胺 (PEIE) 和氧化钼/银电极(即，无注入阻挡层)对有机光电二极管(OPDs) P3HT: ICBA进行了详细的测量来检验其性能，P3HT为聚（3-己基噻吩）(poly(3-hexylthiophene)，ICBA为茚C60双加合物（indene-C60 bis-adduct）。

图注：有机光电二极管可以比硅光电二极管大得多。左边是一个硅光电二极管和两个大面积有机光电二极管。来源：佐治亚理工学院.

该二极管使用的聚乙烯亚胺是一种含胺的聚合物表面改性剂，可以在由佐治亚理工学院的Joseph M. Pettit教授的Bernard Kippelen实验室所开发的光伏设备中产生空气稳定的低功函数电极。聚乙烯亚胺的使用也被证明可以生产出具有低水平暗电流的光伏器件，暗电流即使在黑暗中也流过器件。这意味着这些材料可能在光电探测器中用于捕获可见光的微弱信号。

测量时，首先，他们在525nm处分别测量SiPD的光电流和信噪比中，分别获得光频谱响应度（R）和等效噪声功率（NEP），然后在OPD上进行相同的测试，并对在OPD测量结果中观察到的小均方根电子噪声电流（Irms）和NEP的原因进行了讨论。接下来，研究人员通过测量负载电阻 (Rload)上的压降，研究了OPDs对光脉冲的光电流动力学，对PD和OPD的响应时间以及原因做了分析。然后他们又分别对影响Irms, other的因素和J0的影响进行了研究。最后，研究人员研究了700nm厚的P3HT:ICBA OPD的“倒置”和“常规”几何结构并展示了其相对于SiPDs具有的优势，如在柔性衬底上制造具有定制形状的大面积光学器件和易于制造复杂形状的光电探测器。

该论文的第一作者Fuentes-Hernandez说：“多年来，暗电流水平大大降低，测量设备必须重新设计，以检测出与百万分之一秒中一个电子的波动相对应的电子噪声。” “这项工作反映了Kippelen团队在持续六年多的时间里所做的努力，这些集体努力产生了关于证明了有机光电二极管具有该性能所需的科学见解。”

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能会覆盖办公室的表面。

这种新设备的一种应用是将脉搏血氧仪放在手指上，以测量心率和血氧水平。有机光电二极管可以允许将多个设备放置在人体上，并且比传统装置的光照少10倍。这可以使可穿戴的健康监视器产生更好的生理信息以及进行连续监测，而不需要频繁更换电池。其他潜在的应用包括人机界面，如无接触手势识别和控制。

未来的一个应用是通过闪烁检测电离辐射，即荧光粉在被高能粒子撞击时会发出闪光。降低可以检测到的光照水平将提高设备的灵敏度，使其能够检测到较低水平的辐射。检测从车辆或货物集装箱发出的辐射需要较大的检测器区域，与硅光电二极管阵列相比，有机光电二极管制造起来更加容易。

有机光电二极管在X射线设备中可能具有类似的优势，在X射线设备中，医生希望使用尽可能小的辐射水平，灵敏度，大面积和灵活的形状因数应使有机光电二极管优于基于硅的阵列。

有机光电二极管可以显示数十毫微安培范围内的电子噪声电流值，以及数百飞瓦的噪声等效功率值。除了在响应时间方面，有机光电二极管的关键性能因素可与硅相媲美，研究人员正在努力将其提高100倍，以实现未来的应用。

Fuentes-Hernandez说： “我们正在努力改善光电探测器的响应时间，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。” “真正需要开发更具可扩展性的光电检测器技术，这项工作的动机之一就是发展我们知道对扩展具有成本效益的有机技术。”

Kippelen说： “由于我们使用的是采用印刷技术从油墨中加工的材料，因此它们的有序性不及晶体材料。” “结果是，载流子迁移率和可穿过这些材料的载流子速度较低，因此您无法获得与硅相同的快速信号。但是对于许多应用，您不需要皮秒或纳秒响应时间。”

对于Kippelen来说，光电二极管的工作表明了25年的努力改善有机电子材料性能的结果。这项工作是佐治亚理工学院有机光子学和电子学中心的一部分，涉及广泛的设备建模以了解基础科学，并进行研究以不断提高材料的性能。

Kippelen说：“有机薄膜比硅吸收光的效率更高，因此吸收该光所需的总厚度很小。” “即使扩大它们的面积，使用有机物时探测器的总体积仍然很小。如果增加硅探测器的面积，则在室温下您将拥有更大的材料体积，会产生大量电子噪声。”