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Dynamics of direct X-ray detection processes in high-Z Bi2O3 nanoparticles-loaded PFO polymer-based diodes

Direct X-ray radiation detectors based on the semiconducting polymer poly(9,9-dioctyfluorene) blended with Bi2O3 nanoparticles, have been realized, combining mechanical flexibility and large-area processing with a high X-ray stopping power and sensitivity.
a)Structure & electrical properties of semiconducting polymer PFO diodes with different content of Bi2O3 NPs b)Charact. Xray photocurrents c)TEM image

DOI code: https://doi.org/10.1063/1.4986345

Authors DIFA: Dott. A.Ciavatti, Dott. T.Cramer, Dott. L.Basiricò e Prof.ssa B.Fraboni

Organic semiconductors combine efficient charge transport with low-temperature deposition and large-area processing on flexible plastic substrates. This unique combination of features makes them a promising class of materials to build large-area and flexible ionizing radiation detectors for X-ray imaging and dosimetry. The possibility of developing low cost, fast, and large area ionizing radiation detectors is extremely appealing for industrial applications and security purpose (e.g., smart walls in public places or to scan trucks at national borders). However, high-energy photon absorption is challenging as organic materials are constituted of atoms with low atomic numbers. Semiconducting polymers doped with high-Z nanoparticles (NPs) combine mechanical flexibility and large-area processing with a high X-ray stopping power and sensitivity. In this work, researchers of the DIFA (A.Ciavatti, T.Cramer, L.Basiricò and B.Fraboni) in collaboration with Prof. D.M. De Leeuw of Delft University of Technology and Avantama AG, successfully realize direct X-ray radiation detectors based on the semiconducting polymer poly(9,9-dioctyfluorene) blended with Bi2O3 NPs. The present study gives an insight into the understanding of how nanoparticles doping impacts the detector dynamics allowing the optimization of detector performances. Pure polymer diodes show a high mobility of 1.3x10-5 cm2/Vs, a low leakage current of 200 nA/cm2 at -80V, and a high rectifying factor up to 3x105. The high-performing diodes allow to compare the X-ray response in charge-injection conditions (forward bias) and in charge-collection conditions (reverse bias), and to evaluate the impact of NP-loading on charge transport in the two operation regimes. When operated in reverse bias, the detectors reach the state of the art sensitivity of 24 μC/Gy/cm2, providing a fast photoresponse. In forward operation, a slower detection dynamics but improved sensitivity (up to 450±150 nC/Gy) due to photoconductive gain is observed. Finally, taking advantage of fast dynamic response (200Hz cut-off frequency), X-ray based velocity tracking system has been demonstrated.

Dinamica dei processi di rivelazione in detector diretti di raggi X, basati su diodi polimerici, arricchiti con nano-particelle ad alto-Z di Bi2O3.

Sono stati realizzati rivelatori diretti di raggi X basati sul polimero semiconduttore poly(9,9-dioctyfluorene) (PFO), arricchito con nano-particelle di Bi2O3, che combina la flessibilità meccanica ed il processing su grandi superfici con un’alta sensitivity ed un alto potere frenante per i raggi X.

I semiconduttori organici combinano un efficiente trasporto di carica con una bassa temperatura di deposizione e la possibilità di lavorarli su grandi superfici e su substrati plastici flessibili. Questa combinazione unica di caratteristiche li rende una classe di materiali molto promettente per la realizzazione di rivelatori a raggi X, flessibili e di grande superficie, per imaging e dosimetria. La possibilità di sviluppare rivelatori di radiazione ionizzanteestesi, veloci ed a basso costo è estremamente attraente per applicazioni industriali e per la sicurezza (pareti “intelligenti” in luoghi pubblici oppure per scansionare cargo). Tuttavia, i fotoni ad alta energia sono scarsamente assorbiti dai materiali organici, poiché questi sono costituiti da atomi a basso numero atomico. Polimeri a semiconduttore drogati con nano particelle ad alto numero atomico Z, combinano la flessibilità meccanica e la lavorazione su grandi superfici, con un alta sensitivity ed un alto potere frenante per i raggi X. In questo lavoro, i ricercatori del DIFA (A.Ciavatti, T.Cramer, L.Basiricò e B.Fraboni), in collaborazione con il Prof. D.M. De Leeuw dell’Università di Delft e della compagnia Avantama AG, hanno realizzato un rivelatore diretto di raggi X basato sul polimero semiconduttore poly(9,9-dioctyfluorene) (PFO) arricchito con nano-particelle di Bi2O3. Lo studio approfondisce e chiarisce come il drogaggio con nano-particelle influenzi la dinamica del rivelatore, permettendo l’ottimizzazione delle sue performance. Diodi formati con il solo polimero PFO esibiscono un’alta mobilità di 1.3x10-5 cm2/Vs, una bassa corrente di buio di 200 nA/cm2 a -80V, ed un alto fattore rettificante pari a 3x105. La fabbricazione di diodi altamente performanti ha permesso di confrontare la risposta ai raggi X in condizioni di iniezione di carica (polarizzazione diretta) ed in condizioni di raccolta di carica (polarizzazione inversa), così come di valutare l’impatto sul trasporto di carica nei due regimi dovuto all’inserimento delle nano particelle. Quando operante in polarizzazione inversa, il rivelatore raggiunge una sensitivity pari a 24 μC/Gy/cm2, ed una risposta molto veloce. Quando invece è operante in polarizzazione diretta, è stata osservata una dinamica di risposta molto più lenta, ma con una sensitivity molto più alta e migliore rispetto allo stato dell’arte (fino a 450±150 nC/Gy), dovuta all’effetto di “photoconductive gain”. Infine, sfruttando la risposta veloce (frequenza di taglio a 200Hz), è stata dimostrata l’applicabilità dei rivelatori in un sistema di misura della velocità basato su raggi X.