1 IFAE - Lecce

FOTORIVELATORI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI :

caratteristiche e prospettive

Marco Sampietro

2 IFAE - Lecce

SOMMARIO

• Principali proprietà dei semiconduttori organici

• Fotogenerazione di carica

• Fotorivelatori per radiazione NIR

• Rivelatori per raggi gamma

• Substrati e contatti

3 IFAE - Lecce

IL CARBONIO E’ SPECIALE

• C6 : 6 elettroni , 1s22s22p2

• Elettronegatività media (tendenza a “condividere” elettroni piuttosto che “catturarli” o “cederli”)

• Si lega con altri carbonii

• Ibridizza: sp

sp2 benzene

sp3 Diamante

4 IFAE - Lecce

ORGANIZZAZIONE MOLECOLARE

Pentacene Politiofene

antracene

- Struttura planare- Carbonio ibridizzato sp2

- Legami σ nel piano e legami π fuori dal piano.compartecipazione (delocalizzazione) degli elettroni π.conduzione nel piano

5 IFAE - Lecce

DELOCALIZZAZIONE e BAND-GAP

Nonostante siano diversi dai cristalli inorganici, i semiconduttori organici possono anch’essi essere rappresentati da:

h+

e-

Eg

- livelli energetici (banda di valenza e di conduzione) separati da un gap energetico

- 2 portatori di carica, elettroni e lacune

Di sicuro si applica ai cristalli organici

6 IFAE - Lecce

MOLTEPLICITA’ DI PROTAGONISTI

Singole molecole ricche di legami πdeposte da fase vapore, struttura quasi cristallina, alta mobilità dei portatori pentacene

Oligomeri coniugatideposti da fase vapore o liquida, in alcuni casi struttura policristallina oligotiofeni

Polimeri coniugatideposti da fase liquida, amorfi, scarsa mobilità

PPP, PPV, poliacetilene

7 IFAE - Lecce

PERCHE’ USARESEMICONDUTTORI ORGANICI ?

• Flessibilità meccanica,

• possibilità di coprire grandi superfici,

• emissione di luce nel visibile (… schermi),

• proprietà modificabili per via chimica,

• facilità di deposizione virtualmente su ogni tipo di substrato, anche attivo,

• buon matching dell’indice di rifrazione aria-rivelatore

8 IFAE - Lecce

FOTOGENERAZIONE DI CARICA

Perché nel Si non si parla di stato legato ?

Quale è l’energia dell’eccitone ?

Come si riesce a dissociarlo ?

Cristallo inorganico

STATO LEGATO (Eccitone)Composto organico

9 IFAE - Lecce

FOTOGENERAZIONE DI CARICA

• Eccitazione stato neutro

• Autoionizzazioneaccoppiamento con livelli di trasporto

• Termalizzazione• Dissociazione vs

ricombinazione

10 IFAE - Lecce

Raggio di cattura vs Lunghezza di termalizzazione

kT

Raggio di cattura

FOTOGENERAZIONE DI CARICA

11 IFAE - Lecce

EFFETTO DEL CAMPO ELETTRICO

12 IFAE - Lecce

CrAu

quartz

VBIAS

lightRF

CF

VOUT

dithiolene

RIVELATORI per radiazione infrarossa I.R.

Layout

M: Pd, Ni, Pt

Grande stabilità termica e fotochimica

Ottima solubilità in solventi poco polari (cloroformio) cast o spin coating

Solido amorfo con ridotta interazione tra le molecole

Ditioleni (Univ. di Cagliari)

13 IFAE - Lecce

CHARGE COLLECTION

EGAP

+-

light

EF Au

Au5.1eV

VBIAS

HOMO

LUMO

-250µ 0 250µ 500µ 750µ 1m

0

1m

2m

V [V

]t [s]

Charge amplifier output signal

Electronic decay, RfCf

Charge integrated during light pulse.

“Delay” due to the collection of previously generated charges

14 IFAE - Lecce

TIME RESPONSE

-20µ 0 20µ 40µ 60µ 80µ-40.0m

-20.0m

0.0

20.0m

40.0m

60.0m

-40m

-20m

0

20m

40m

60m

V [V

]

t [s]

Pd-dithiolene, 3µm, λ=880nm, VDUT=3V

Bit-rate > 40 kbit/s

Applicazioni : network monitoring, controllo di pacchetto, etc.

15 IFAE - Lecce

EFFECT of ELECTRIC FIELD

0 10 20 30 400

1

2

3

4

5

_

VO

UT [

mV

]

E [kVcm-1]

Improvement in the collected charge (output voltage of the charge amplifier) as a function of the average electric field.

16 IFAE - Lecce

SVILUPPI 2003 - Rivelatori per I.R.

Il picco della risposta può essere spostato con modifiche della struttura chimica

800 1200 1600 2000

0

20k

40k

60k

80k

abso

rptio

n [a

.u.]

λ [nm]

Pd neutral

Pd reducedNi reducedTunable response

( Matching con la 2° e 3° finestra delle fibre ottiche )

17 IFAE - Lecce

200 400 600 800 1000 1200 14000

2

3

5

7

8

10

resp

onsi

vity

[a.u

.]

λ [nm]

ηmax = 0.01%, corrisponding to S= 40µAW-1

@ 470nm, VBIAS=88V, L= 12µm

FOTORIVELAZIONE NEL VISIBILE

18 IFAE - Lecce

2µs light pulse @ 470nm, VBIAS=70V, L= 12µm

CrAu

quartz

VBIAS

lightRF

CF

VOUT

dithiolene

FOTORIVELAZIONE NEL VISIBILE

19 IFAE - Lecce

0 1µ 2µ 3µ-400m

-200m

0

200m

400m

600m VOUT

V OU

T [V]

Time [s]

impulso di luce

1MHz, duty cicle=50% @ 470nm, VBIAS=80V, L= 12µm

Shaping time250ns

FOTORIVELAZIONE NEL VISIBILE

20 IFAE - Lecce

Cristallo scintillatore

Fodera difotodiodo(evenutalmente pixellata)

Il cristallo scintillatore (e quindi il fotorivelatore)può avere forma inusuale.

La struttura a pixel permette di acquisire anche lacoordinata longitudinale di interazione

APPLICAZIONI con CRISTALLI SCINTILLATORI

21 IFAE - Lecce

Elettrodi in CROMO invece che in oro (minore funzione lavoro) :

Riduzione della Ileakiniettata dai contatti

Minore rumore parallelo

Possibilità di applicare campi elettrici maggiori

Minori tempi di risposta

EF

EF

EFFETTO DEL CONTATTO

22 IFAE - Lecce

CHI DETERMINA IL TIPO DI PORTATORE ?Contatti di Source e di Drain

LUMO

HOMO

PPV2.7eV

2 .3 0 e V2 .7 5 e V2 .8 7 e V2 .9 0 e V3 .7 0 e V4 .2 5 e V4 .2 6 e V4 .2 8 e V4 .3 3 e V4 .3 5 e V4 .4 2 e V4 .5 0 e V4 .6 5 e V4 .7 0 e V5 .1 0 e V5 .1 2 e V5 .1 5 e V

IT O

KN aC aL iM gP bA gA lT iZ nS nC rC u

A uP dN iP t 5 .6 5 e V

P b , A g , A l, T i,Z n , S n , C r, C u

IT O , A u , P d , N i

P t

ORGANIC

SEMICONDUCTOR

M g

N a , C a ,L i

, Si(p+)

Si(n+)

23 IFAE - Lecce

Sfruttare il metallo pesante per la rivelazione di RAGGI X

ULTERIORI SVILUPPI

Ni (Z=28)

Pd(Z=46)

Pt (Z=78)

M

24 IFAE - Lecce

Politecnico di MilanoNatali Dario, Caironi Mario, Ferrari Giorgio, Franco Luigi

Università di Cagliari, Dip. ChimicaDevillanova Francesco, Arca Massimiliano, Denotti Carla

ISMAC-CNR (Milano)Bolognesi Alberto, Botta Chiara, Porzio William, Destri Silvia

INFN Progetto ODESSA

COLLABORAZIONI-RINGRAZIAMENTI