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Direct X-ray photoconversion in flexible organic thin film devices operated below 1V

Innovative materials for X-rays detection are needed to overcome the stiffness and growth complexity in large-area of traditional ones. Here is reported the first highly sensitive thin, flexible organic direct X-ray detector, operated below 1V. We also propose a model describing the X-rays signal observed.
Experimental curves of the dynamic response of the detector for three irradiation cycles (top-left); Schematic of the device structure and image.

DIFA Authors: Dr. Laura Basiricò, Dr. Andrea Ciavatti, Dr. Tobias Cramer, Prof.ssa Beatrice Fraboni

DOI: 10.1038/ncomms13063

Links: http://rdcu.be/kKH9    http://www.iflexis.eu/

The appealing features of organic materials for ionizing radiation detection application are the easy deposition over large areas by means of solution-coating, low-cost techniques potentially onto flexible substrates. Moreover, the similarity of the typical density of organic molecules to that of human tissue makes them very interesting for medical X-ray direct dosimetry.

Very recent reports show how hybrid combinations of inorganic/organic scintillator–photodetector systems can provide thin, large-area ionizing radiation detectors with very good performances. However, none of these innovative systems is flexible nor works with ultra-low voltage bias. In the last years, a few works reported the proof-of-principle for direct X-ray detection based either on organic semi-conducting single crystals or on polymer thin-films blended either with π-conjugated small molecules, inorganic high-Z nanocomponents or carbon nanotubes to enhance the sensitivity to X-rays improving the charge carriers mobility and the stopping power of the material.

In this paper, researchers of the DIFA (L. Basiricò, A. Ciavatti, T. Cramer and B. Fraboni), in the framework of iFlexis project (http://www.iflexis.eu/), report about direct X-ray photo-conversion in micro-crystalline thin films of bis-(triisopropylsilylethynyl) pentacene (TIPS-pentacene) (a solution-processable material for the fabrication of organic devices onto flexible plastic substrates) deposited by drop casting onto flexible poly(ethyleneterephthalate) (PET) substrates. They find that these devices are characterized by an unexpected high X-ray sensitivity that they justify by interpreting the detection mechanism as a photo-modulation of the semiconductor conductivity due to charge accumulation during X-ray exposure, resulting in a photoconductive gain effect.

From such findings, they develop a kinetic model that gives an important insight into the physical process that leads to highly sensitive response to ionizing radiation by such low-Z organic materials. Furthermore, this investigation allowed them to realize a flexible, pixelated X-ray detector based on organic thin films, operating at very low voltage (below 1 V). The ultra-low voltage operation paves the way towards battery-operated wearable detectors.

 

Fotocoversione diretta di raggi X in dispositivi organici flessibili a film sottile con tensioni di lavoro minori di 1V

Materiali innovativi per il rilevamento di raggi X sono necessari per superare la rigidità e la complessità di crescita su grandi superfici di quelli tradizionali. Qui viene riportato il primo rivelatore diretto di raggi X organico altamente sensibile, flessibile e sottile, con tensioni di lavoro minori di 1V. Si propone inoltre un modello che descrive il segnale di raggi X osservato.

Le caratteristiche dei materiali organici quali la deposizione su grandi superfici per mezzo di tecniche non sofisticate e a basso costo, potenzialmente su substrati flessibili, hanno una grande potenzialità di applicazione nell’ambito della rilevazione delle radiazioni ionizzanti. Inoltre, la somiglianza della densità tipica delle molecole organiche a quella del tessuto umano li rende molto interessanti per applicazioni nella dosimetria medica diretta di raggi X.

Report recenti hanno dimostrato come le combinazioni ibride inorganico/organico di sistemi scintillatore-fotorivelatore possano risultare in rivelatori di radiazione ionizzante sottili e su grandi superfici con ottime prestazioni. Tuttavia, nessuno di questi sistemi innovativi è flessibile né lavora a basse tensioni. Negli ultimi anni, alcuni studi hanno dimostrato la rilevazione diretta di raggi X di dispositivi a base sia di cristalli singoli organici a semiconduttore sia di film polimerici combinati con piccole molecole coniugate, con nanoparticelle inorganiche ad alto numero atomico e con nano-tubi di carbonio per migliorare la sensibilità ai raggi X massimizzando la mobilità portatori di carica e la potenza di frenata del materiale.

In questo lavoro, i ricercatori del DIFA (L. Basiricò, A. Ciavatti, T. Cramer e B. Fraboni), nell’ambito del progetto di i-Flexis (http://www.iflexis.eu/), riportano lo studio sulla foto-rivelazione diretta di raggi X da parte di film sottili  microcristallini di bis-(triisopropylsilylethynyl) pentacene (TIPS-pentacene) (un materiale processabile da soluzione utilizzato per la fabbricazione di dispositivi organici su substrati plastici flessibili) depositato da soluzione su un substrato flessibile di poly(ethyleneterephthalate) (PET). Tali dispositivi sono caratterizzati da un’inaspettata alta sensitività ai raggi X, giustificata interpretando il meccanismo di rivelazione come una foto-modulazione della conducibilità a causa di accumulo di carica nel film semiconduttore durante l'esposizione ai raggi X, con conseguente effetto di guadagno fotoconduttivo. E’ stato sviluppato un modello cinetico che offre un importante avanzamento nella comprensione del processo fisico della risposta altamente sensibile alle radiazioni ionizzanti di tali materiali organici a basso numero atomico. Inoltre, questa indagine ha permesso di realizzare una matrice di 4 pixel di rivelatori di raggi X flessibili e a base di film sottili organici, funzionante a bassissima tensione (inferiore a 1 V). Il funzionamento a basso consumo di potenza apre la strada verso lo sviluppo di rilevatori indossabili e alimentati a batteria.