Advanced Architectures for Inkjet-Printed Organic Photodiodes and Their Integration in Multi-Device Systems

Die neuesten Technologietrends, die auf revolutionären Konzepten wie dem Internet der Dinge (IoT), der Industrie 4.0 und der personalisierten Medizin beruhen, beschreiben ein bisher nicht gekanntes Maß an Integration zwischen elektronischen Geräten und Menschen. In dieser Hinsicht sind optische Sensortechnologien, die derzeit in den Bereichen Kommunikation, Automobilindustrie und Gesundheitswesen weit verbreitet sind, ein wesentlicher Bestandteil einer solchen Zukunftsprojektion. Insbesondere organische Photodioden (OPDs), die eine Art organischer Photodetektoren darstellen, sind für Anwendungen der nächsten Generation wie IoT und tragbare Elektronik sehr vielversprechend. ... mehrDie organische Basis der OPDs ermöglicht die Verarbeitung auf Lösemittelbasis, was wiederum eine kostengünstige Herstellung ermöglicht, die sich an große Flächen anpassen lässt und mit leichten, biokompatibel und flexiblen Substraten kompatibel ist. Dabei geht es nicht darum, Technologien auf anorganischer Basis zu ersetzen, sondern ihre Eigenschaften zu ergänzen, um eine größere Anzahl von Anwendungen zu erreichen. Derzeit beruhen die mit OPDs erzielten Leistungen jedoch noch überwiegend auf Labortechniken, die nicht skalierbar sind und denen es an Designflexibilität mangelt. Wenn OPDs in innovativen Bereichen wie IoT und tragbarer Elektronik eingesetzt werden sollen, ist ihre Entwicklung unter Verwendung eines vielseitigeren und industrierelevanten Herstellungsverfahrens erforderlich. Digitale Drucktechniken sind für die industrielle Produktion geeignet und in der Lage, strukturierte Dünnschichten zu erzeugen. Darüber hinaus bieten sie das Hauptmerkmal des computergestützten Layoutdesigns und damit den entscheidenden Vorteil einer hohen Designflexibilität. Durch die Berücksichtigung der Vielseitigkeit von OPD-Bauelementen ermöglicht diese Arbeit die Integration von OPDs in Systemen mit mehreren Geräten und erleichtert ihre Implementierung in optoelektronische Anwendungen der nächsten Generation. In der ersten Analyse wird eine neuartige OPD-Architektur vorgestellt, die vielversprechende Vorteile wie eine hohe Verarbeitungsvielfalt und mechanische Flexibilität aufweist und in vordefinierte Systeme integriert werden kann. Die Bauelemente zeigten dem heutigen Stand der Technik entsprechende Leistungen,
insbesondere in Bezug auf die Responsivität mit Werten über 350 mA W-1 bei -2 V und in Bezug auf die Detektionsgeschwindigkeiten mit Werten im MHz-Bereich. Darüber hinaus erwiesen sie sich als geeignet für praktische Anwendungen wie Datenübertragungsempfänger in Kommunikationssystemen mit einer Datenrate von bis zu 20 Mb s-1. In einer zweiten Analyse wurden die OPDs mit zwei verschiedenen Matrizen aus organischen Dünnschichttransistoren (OTFTs) integriert, was zu einem Prozess führte, der Schichtsysteme von bis zu 10 funktionalen Schichten und bis zu 1024 OPD-OTFT-Paaren integrieren kann. Schließlich wird in der letzten Studie die Entwicklung einer neuen aktiven Schicht für OPDs im Nahinfrarotbereich (NIR) und ihre Anpassung an ein Tintenstrahldruckverfahren vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen verschiedene Bauelementarchitekturen für NIR-Anwendungen, einschließlich halbtransparenter Bauelemente mit einer Transmission von über 70 % im sichtbaren Bereich, die das Potenzial haben, neue Designs für Gesundheitsüberwachungsgeräte zu ermöglichen.
Insgesamt zeigt die Arbeit in dieser Dissertation, dass die Nutzung der Vorteile des Tintenstrahldrucks in Verbindung mit fortschrittlichen Bauelementarchitekturen wertvolle Eigenschaften wie schnelles Erstellen von Bauteilprototypen, erhöhte Substratkompatibilität und kundenspezifische Designs ermöglichen kann.

The latest trends in technology based on revolutionary concepts such as the Internet of Things (IoT), Industry 4.0, and personalized medicine describe a level of integration between electronic devices and individuals that is yet to be seen. In this regard, optical sensor technologies, which are currently widely employed in the fields of communication, automotive industry and healthcare, are an essential component of such projected future.
In particular, organic photodiodes (OPDs) are a type of organic photodetector that shows great promise for next-generation applications such as IoT and wearable electronics. ... mehrThe organic basis of OPDs enables them to be solution-processed which in turn allows for a fabrication that is expected to be cost-efficient, adaptable to large areas and compatible with light-weight, biocompatible and flexible substrates. Here, the idea is not to replace inorganic-based technologies, but rather to complement their properties in order to achieve a greater number of applications. However, the high-performance achieved in OPDs is still predominately based on laboratory techniques that are non-scalable and lack design flexibility. If OPDs are to be implemented in innovative fields such as IoT and wearable electronics, their development using a more versatile and industrially-relevant fabrication process is needed. Digital printing techniques are suitable for industrial production and capable of structured thin-film formation. Moreover, they offer the key feature of computerized layout design and thus provides the significant advantage of high design flexibility. By addressing the versatility of OPD devices, this thesis enables the integration of OPDs in multi-device systems and facilitates their implementation in next-generation optoelectronic applications. The first analysis presents a novel OPD architecture that features promising advantages such as high processing versatility and mechanical flexibility; and which can be integrated in pre-defined systems. The devices showed state-of-the-art performance, particularly in terms of responsivity with values above 350 mA W-1 at -2 V, and in terms of detection speeds with values in the MHz range. Additionally, they demonstrated to be suitable for practical applications such as data transfer receivers in communication systems with a data rate of up to 20 Mb s-1. In a second analysis, the OPDs where integrated with two different matrices of organic thin film transistors (OTFTs) yielding a process capable to integrate stacks of up to 10 functional layers and up to 1024 OPD-OTFT pairs. Finally, the last study presents the development of a new active layer for near-infrared (NIR) OPDs and its adaptation into an inkjet-printed process. The results feature different device architectures for NIR applications including semi-transparent devices with a transmittance above 70% in the visible range that have the potential to enable new designs for health-monitoring devices. Overall, the work presented in this thesis demonstrates that exploiting the advantages of inkjet printing together with advanced
device architectures can enable invaluable features such as fast device prototyping,
increased substrate compatibility, and customized designs, allowing to truly harness all the advantages of OPDs and facilitating their integration in next-generation optoelectronic systems for real-life applications.