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Boosting direct X-ray detection in organic thin films by small molecules tailoring

In this paper it is reported how, by synthesizing new solution-processable organic molecules with Ge-substitution in place of the Si atoms, have been boosted the X-ray direct detection response of organic thin films on flexible plastic substrates.
Comparison TIPS- TIPGe-pentacene: a) X-ray attenuated fraction at 17keV as function of material thickness; b) Induced X-ray photocurrent vs. Dose Rate

10.1002/adfm.201806119

Links: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201806119

DIFA Authors/Autori DIFA: Dott. A. Ciavatti, Dott.ssa L. Basiricò, I. Fratelli e Prof.ssa B. Fraboni

The detection of ionizing radiation is an increasingly important task in a great number of industrially and socially relevant activities, such as medical diagnostics and therapy, cultural heritage, citizen and airport security, defense, environmental monitoring, non-destructive industrial testing, and wearable personal dosimetry. Large area, thin, flexible sensors are needed to detect ionizing radiation impinging on complex geometrical structures in real-time and at affordable costs. The attention on the application of organic electronics for the direct detection of ionizing radiation is rapidly growing among the international scientific community, due to the great potential of the organic technology to enable large-area conformable sensor panels at low cost. However, high-energy photon absorption is challenging as organic materials are constituted of atoms with low atomic numbers.

Here it is reported how, by synthesizing new solution-processable organic molecules derived from 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-pentacene) and 2,8-Difluoro-5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene (diF-TES-ADT), with Ge-substitution in place of the Si atoms to increase the material atomic number, it is possible to boost the X-ray detection performance of organic thin films on flexible plastic substrates. Researchers of the DIFA (A.Ciavatti, L.Basiricò, I.Fratelli and B.Fraboni), in collaboration with Prof. J.E. Anthony (University of Kentucky, USA), fabricated low-voltage, flexible Organic Thin Film Transistors (OTFTs) based on solution-processed TIPGe-pentacene. The new material shows an X-ray mass absorption coefficient ten times higher than their silicon counterparts, high electrical performance with higher mobility (0.4 cm2 V-1 s-1) and enhanced X-ray sensitivity, up to 9.0 x 105 µC Gy-1 cm-3, with respect to TIPS-pentacene based detectors. This sensitivity value is competitive with the one of thick amorphous selenium detectors, currently used in commercial rigid flat panels detectors.

Moreover, similar results are obtained for diF-TEG-ADT devices, confirming that the proposed strategy, i.e. increasing the atomic number of organic molecules by chemical tailoring to improve X-ray sensitivity, can be generalized to organic thin film detectors, combining high X-ray absorption, mechanical flexibility and large area processing.

Come incrementare la rivelazione diretta di raggi X in film sottili organici, tramite molecole sintetizzate su misura.

In questo articolo è riportato come, attraverso la sintesi di nuove molecole organiche processabili da soluzione, con atomi di Ge in sostituzione di quelli di Si, sia stato possibile aumentare fortemente la risposta diretta ai raggi X di film sottili organici cresciuti su substrati plastici flessibili.

La rivelazione di radiazione ionizzante è un compito importante in numerose attività industriali e socialmente rilevanti, come la diagnostica e la terapia medica, i beni culturali, la sicurezza di cittadini ed aeroporti, la difesa, il monitoraggio ambientale, i test industriali non distruttivi e la dosimetria personale portatile. In particolare, sono necessari sensori sottili, flessibili, di grandi dimensioni ed a basso costo per rivelare la radiazione che incide su strutture geometriche complesse. L’attenzione sull’elettronica organica per la rivelazione diretta di radiazione ionizzante, sta rapidamente crescendo all’interno della comunità scientifica internazionale, per il forte potenziale di questa tecnologia di realizzare a basso costo sensori di grandi dimensioni e di forma adattabile.

Tuttavia, l’assorbimento di fotoni ad alta energia costituisce un problema, poiché i materiali organici sono formati da elemeni a basso numero atomico. In questo articolo è riportato come, attraverso la sintesi di nuove molecole organiche processabili da soluzione, derivate da 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-pentacene) e 2,8-Difluoro-5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene (diF-TES-ADT), con atomi di Ge in sostituzione di quelli di Si per aumentare il numero atomico della molecola, sia stato possibile aumentare fortemente la risposta diretta ai raggi X di film sottili organici cresciuti su substrati plastici flessibili. I ricercatori del DIFA (A. Ciavatti, L. Basiricò, I. Fratelli e B. Fraboni), in collaborazione con il Prof. J.E. Anthony (Università del Kentucky, USA), hanno fabbricato transistor organici a film sottile (OTFT) a basso voltaggio basati su TIPGe-pentacene cresciuto da soluzione.

Il nuovo materiale ha mostrato un coefficiente di assorbimento di massa dei raggi X dieci volte più alto della controparte contenente silicio, alte prestazioni elettriche con mobilità (0.4 cm2 V-1 s-1) e sensibilità ai raggi X (9.0 x 105 µC Gy-1 cm-3) superiori rispetto ai rivelatori basati su TIPS-pentacene. Il valore di sensibilità raggiunto è competitivo con quello dei rivelatori al selenio amorfo, attualmente utilizzato nei rivelatori commerciali “flat panel”. Inoltre, risultati simili sono stati ottenuti in dispositivi basati sulla molecola diF-TEG-ADT, confermando che la strategia proposta, ovvero di aumentare il numero atomico attraverso una sintesi personalizzata di molecole organiche con l’obiettivo di aumentare la sensibilità ai raggi X, possa essere generalizzata a tutti i rivelatori di film sottili organici, combinando un forte assorbimento dei raggi X, flessibilità meccanica e processabilità da soluzione.