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Charged-particle spectroscopy in organic semiconducting single crystals

Direct charged-particle detectors based on solution-grown Organic Semiconducting Single Crystals (OSSCs) are shown to be capable to detect charged particles. The good peak discrimination allow to estimate the µτ value, and to perform Time-of-Flight experiments on such kind of organic materials.
(top) Optical image of mm-sized 4HCB single crystals (bottom)Pulse height spectrum obtained with digital pulse shape analysis at shaping time of 50µs

DIFA Authors/Autori: Dr. Andrea Ciavatti, Dr. Laura Basiricò, Prof.ssa Beatrice Fraboni

DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4945597

Link: http://www.iflexis.eu/

The use of organic materials as radiation detectors has grown, due to the easy processability in liquid phase at room temperature and the possibility to cover large areas by means of low cost deposition techniques.

In this paper, A.Ciavatti, L. Basiricò and B. Fraboni, researchers of the DIFA, showed that direct charged-particle detectors based on solution-grown Organic Semiconducting Single Crystals (OSSCs) are capable to detect charged particles with very good peak discrimination. The direct charged-particle detection in OSSCs has been assessed both in the planar and in the vertical axes, and a digital pulse processing algorithm has been used to perform pulse height spectroscopy and to study the charge collection efficiency as a function of the applied bias voltage.

Taking advantage of the charge spectroscopy and the good peak discrimination of pulse height spectra, an Hecht-like behavior of OSSCs radiation detectors is demonstrated. It has been possible to estimate the mobility-lifetime value in organic materials, a fundamental parameter for the characterization of radiation detectors, whose results are equal to mtplanar = (5.5 ± 0.6) x10-6 cm2/V and mtsandwich = (1.9 ± 0.2) x10-6 cm2/V, values comparable to those of polycrystalline inorganic detectors. Moreover, alpha particles Time-of-Flight experiments have been carried out to estimate the drift mobility value.

The results reported here indicate how charged-particle detectors based on OSSCs possess a great potential as low-cost, large area, solid-state direct detectors operating at room temperature. More interestingly, the good detection efficiency and peak discrimination observed for charged particle detection in organic materials (hydrogen-rich molecules) are encouraging for their further exploitation in the detection of thermal and high-energy neutrons.

Spettroscopia di particelle cariche in Semiconduttori Organici a cristallo singolo

Rivelatori diretti di particelle cariche basati su Singoli Cristalli Organici a Semiconduttore, cresciuta da soluzione (OSSC), mostrano la capacità di rivelare particelle cariche con un ottima discriminazione dei picchi. Gli esperimenti svolti hanno permesso di determinare il valore di mt, e di effettuare misure di Tempo-di Volo su questo tipo di materiali.

L’impiego di materiali organici come rivelatori di radiazione è cresciuto, negli ultimi anni, grazie alla possibilità di processare tali materiali in fase liquida a temperatura ambiente, e grazie alla possibilità di ricoprire con essi grandi superfici attraverso tecniche di deposizione a basso costo.

In questo articolo, A. Ciavatti, L. Basiricò e B. Fraboni, ricercatori del DIFA, hanno mostrato come rivelatori diretti di particelle cariche basati su Semiconduttori Organici a Cristallo Singolo (OSSC) cresciuti da soluzione, sono in grado di rivelare particelle cariche con un ottima discriminazione di picco. La rivelazione diretta di particelle cariche in OSSC è stata provata sia lungo l’asse planare sia lungo quello verticale del cristallo, ed è stato usato un algoritmo digitale per eseguire la spettroscopia dell’altezza di impulso e per studiare l’efficienza di raccolta di carica in funzione del voltaggio applicato.

Sfruttando la buona discriminazione del picco, è stato mostrato che gli OSSC hanno un andamento di tipo Hecht. E’ stato inoltre possibile stimare, per entrambi gli assi, il valore di mobilità-tempo di vita nei materiali organici, parametro fondamentale per la caratterizzazione di rivelatori di radiazione. I valori stimati sono risultati pari a mtplanar = (5.5 ± 0.6) x10-6 cm2/V e mtsandwich = (1.9 ± 0.2) x10-6 cm2/V, valori comparabili con quelli dei rivelatori inorganici policristallini. Inoltre, sono stati effettuati esperimenti di Time of Flight (TOF) con particelle alfa, per stimare la mobilità di deriva dei portatori di carica nei cristalli.

I risultati qui riportati indicano come rivelatori di particelle cariche basati su OSSC abbiano un grande potenziale come rivelatori diretti a stato solido a basso costo, a grande area ed operanti a temperatura ambiente. Inoltre, la buona efficienza di rivelazione e la discriminazione di picco osservate per le particelle cariche nei materiali organici (molecole ricche di idrogeno) incoraggiano la possibilità di un loro ulteriore utilizzo per la rivelazione di neutroni termici e ad alta energia.