Fotodioda Organik Fleksibel Area Besar Dapat Bersaing dengan Perangkat Silikon

Kinerja fotodioda organik area luas yang fleksibel telah maju ke titik yang sekarang dapat menawarkan keunggulan dibandingkan teknologi fotodioda silikon konvensional, terutama untuk aplikasi seperti pencitraan biomedis dan pemantauan biometrik yang memerlukan pendeteksian tingkat cahaya rendah di area yang luas. Perangkat organik fleksibel dengan kebisingan rendah, pemrosesan solusi, menawarkan kemampuan untuk menggunakan fotodioda area luas yang berbentuk sewenang-wenang untuk menggantikan susunan kompleks yang akan diperlukan dengan fotodioda silikon konvensional, yang dapat mahal untuk ditingkatkan skalanya untuk aplikasi area besar. Perangkat organik memberikan kinerja yang sebanding dengan fotodioda silikon kaku dalam spektrum cahaya tampak — kecuali dalam waktu respons.

“Apa yang telah kami capai adalah demonstrasi pertama bahwa perangkat ini, yang dihasilkan dari larutan pada suhu rendah, dapat mendeteksi hanya beberapa ratus ribu foton cahaya tampak setiap detik, serupa dengan besarnya cahaya yang mencapai mata kita dari satu bintang di langit yang gelap,” kata Canek Fuentes-Hernandez, ilmuwan peneliti utama di School of Electrical and Computer Engineering di Georgia Institute of Technology. “Kemampuan untuk melapisi bahan-bahan ini ke substrat area yang luas dengan bentuk yang berubah-ubah berarti bahwa fotodioda organik yang fleksibel sekarang menawarkan beberapa keunggulan yang jelas dibandingkan fotodioda silikon canggih dalam aplikasi yang membutuhkan waktu respons dalam kisaran puluhan mikrodetik.”

Perangkat elektronik organik didasarkan pada bahan yang dibuat dari molekul atau polimer berbasis karbon, bukan semikonduktor anorganik konvensional seperti silikon. Perangkat dapat dibuat menggunakan solusi sederhana dan teknik pencetakan inkjet daripada proses mahal dan kompleks yang terlibat dalam pembuatan elektronik konvensional. Teknologi ini sekarang banyak digunakan di layar, sel surya, dan perangkat lainnya.

Fotodioda organik menggunakan polietilenimin, pengubah permukaan polimer yang mengandung amina yang ditemukan untuk menghasilkan elektroda fungsi kerja rendah yang stabil di udara dalam perangkat fotovoltaik yang dikembangkan di laboratorium Bernard Kippelen, Profesor Joseph M. Pettit di Georgia Tech. Penggunaan polietilenimin juga terbukti menghasilkan perangkat fotovoltaik dengan arus gelap tingkat rendah — arus listrik yang mengalir melalui perangkat bahkan dalam gelap. Ini berarti bahan tersebut dapat berguna dalam fotodetektor untuk menangkap sinyal samar cahaya tampak.

Salah satu aplikasi untuk perangkat baru ini adalah oksimeter pulsa yang sekarang ditempatkan di jari untuk mengukur detak jantung dan kadar oksigen darah. Fotodioda organik memungkinkan beberapa perangkat ditempatkan pada tubuh dan beroperasi dengan cahaya 10 kali lebih sedikit daripada perangkat konvensional. Hal ini dapat memungkinkan pemantau kesehatan yang dapat dikenakan untuk menghasilkan informasi fisiologis yang lebih baik dan pemantauan berkelanjutan tanpa penggantian baterai yang sering. Aplikasi potensial lainnya termasuk antarmuka manusia-komputer seperti pengenalan dan kontrol gerakan tanpa sentuhan.

Aplikasi masa depan adalah deteksi radiasi pengion dengan kilau — kilatan cahaya yang dipancarkan oleh fosfor ketika dipukul oleh partikel energi tinggi. Menurunkan tingkat cahaya yang dapat dideteksi akan meningkatkan sensitivitas perangkat, memungkinkannya mendeteksi tingkat radiasi yang lebih rendah. Mendeteksi radiasi yang dipancarkan dari kendaraan atau kontainer kargo memerlukan area detektor yang besar, yang akan lebih mudah dibuat dari fotodioda organik daripada dari susunan fotodioda silikon.

Fotodioda organik dapat memiliki keunggulan serupa dalam peralatan sinar-X, di mana dokter ingin menggunakan tingkat radiasi sekecil mungkin untuk meminimalkan dosis yang diberikan kepada pasien. Di sini sekali lagi, sensitivitas, area yang luas, dan faktor bentuk yang fleksibel harus memberikan keunggulan pada fotodioda organik dibandingkan array berbasis silikon.

Fotodioda organik dapat menunjukkan nilai arus derau elektronik dalam rentang puluhan femtoampere dan nilai daya setara derau beberapa ratus femtowatt. Faktor kinerja utama dari fotodioda organik sangat baik dibandingkan dengan silikon kecuali di bidang waktu respons, di mana para peneliti sedang mengerjakan peningkatan seratus kali lipat untuk memungkinkan aplikasi di masa depan.

“Film tipis organik menyerap cahaya lebih efisien daripada silikon, jadi ketebalan keseluruhan yang Anda butuhkan untuk menyerap cahaya itu sangat kecil,” kata Kippelen. “Bahkan jika Anda memperbesar area mereka, volume keseluruhan detektor Anda tetap kecil dengan organik. Jika Anda meningkatkan area detektor silikon, Anda memiliki volume material yang lebih besar yang pada suhu kamar akan menghasilkan banyak derau elektronik.”

Fotodioda yang dibuat di laboratorium Kippelen menggunakan lapisan aktif dengan ketebalan hanya 500 nanometer. Satu gram bahan, kira-kira seukuran ujung jari, bisa melapisi permukaan meja kantor.