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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
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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