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Towards Low-Voltage and Bendable X-ray Direct Detectors Based on Organic Semiconducting Single Crystals

Organic materials have been so far mainly proposed as detectors for ionizing radiation in the indirect conversion approach, i.e. as scintillators. Here is reported the first thin and bendable X-ray direct detectorsbased on Organic Semiconducting Single Crystals (OSSCs).
4HCB Organic Single Crystal optical image (u.left); sketch of the device with the interdigitated electrode structure on flexible substrate (u.left).

DIFA Authors

Dr. Andrea Ciavatti, Prof.ssa Beatrice Fraboni

DOI: 10.1002/adma.201503090

Abstract

Organic semiconductors are attracting a large interest as they allow to realize organic electronic and photonic devices that can be produced using large-area fabrication techniques, with advantages like low fabrication cost, low environmental impact, and the possibility of creating transparent and flexible devices, allowing unprecedented and integrated device functions and architectures. Organic materials have been so far mainly proposed as detectors for ionizing radiation in the indirect conversion approach, i.e., as scintillators, which convert ionizing radiation into visible photons, or as photodiodes, which detect visible photons coming from a scintillator and convert them into an electrical signal.

In this paper, researchers of the DIFA (A. Ciavatti and B. Fraboni), in the framework of iFlexis project (http://www.iflexis.eu/), report about the first thin and bendable X-ray direct detector based on Organic Semiconducting Single Crystals (OSSCs),promising candidates for the direct detection of X-ray radiation (i.e. X-photons are directly converted into an electric signal) that possess enhanced sensitivity, low operating voltage (≈5V) and with a minimum detectable dose rate of 50 µGy/s. The results have been achived by reaching a deeper understanding of the critical role played by the electrodes and device geometry in the photo-generated charge transport and collection process. The here reported results indicate how OSSCs have a great potential as solid-state room-temperature and human tissue-equivalent X-ray detectors, opening the way to the development of novel large-area, thin, flexible and low-power consuming (hence potentially portable) ionizing radiation sensors.

Verso Rivelatori diretti di raggi X, a basso voltaggio e flessibili, basati su Singoli Cristalli Organici a Semiconduttore

I materiali organic fino ad oggi sono stati utilizzati come rivelatori di radiazione ionizzante con un approccio indiretti, come scintillatori. E’ riportato il primo rivelatore diretto di raggi x, sottile e flessibile, basato su singoli cristalli organici a semiconduttore. (OSSC).

I semiconduttori organici stanno attraendo un grande interesse perché permettono la realizzazione di elettronica organica e dispositivi fotonici, che possono essere prodotti attraverso tecniche di fabbricazione a larga area, abbassare i costi di fabbricazione, abbassare l’impatto ambientale, e permettono di creare dispositivi elettronici trasparenti e flessibili, aprendo la strada a dispositivi con funzionalità ed architetture completamente nuove. Nell’ambito dei rivelatori di radiazione ionizzante, i materiali organici sono stati utilizzati fino ad ora solo nell’approccio indiretto, come scintillatori, che convertono la radiazione ionizzante in fotoni visibili, oppure come fotodiodi, che rivelano i fotoni in lue visibile emessi da uno scintillatore e lo convertono in un segnale elettrico.

In questo articolo, i ricercatori del DIFA (A. Ciavatti e B. Fraboni), all’interno del progetto iFlexis (http://www.iflexis.eu/), riportano i risultati relativi al primo rivelatore diretto di raggi X conformabile e sottile basato su Cristalli Singoli Organici a Semiconduttore (OSSC), candidati promettenti per la rivelazione diretta di raggi X (i fotoni-X sono direttamente convertiti in un segnale elettrico) ad alta sensibilità, basso voltaggio (≈5V) e con un dose rate minimo rivelabile di 50 µGy/s. I risultati sono stati ottenuti attraverso una migliore comprensione del ruolo degli elettrodi e della geometria del dispositivo nel processo di trasporto e raccolta delle cariche fotogenerate. I risultati mostrano come gli OSSC possono essere utilizzati come rivelatori a stato solido di raggi X, con densità equivalente a quella dei tessuti umani, che lavorano a temperatura ambiente, aprendo la porta allo sviluppo di nuovi sensori di radiazione ionizzante a larga area, sottili, flessibili e a basso consumo di potenza.

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