Interpretazione dei fenomeni di trasporto in cristalli organici semiconduttori

Alcuni ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna hanno di recente ottenuto una curva che descrive l’andamento della mobilità in funzione della temperatura a seguito di misure effettuate su un cristallo organico di rubicene che mostra un’interdipendenza delle due variabili molto particolare. Il mio compito è stato cercare di far luce sulle peculiarità di questa curva. Per fare questo mi sono servita di due articoli, frutto di un attuale studio condotto da tre ricercatori dell’Università di Napoli, che ho riportato nel secondo e nel terzo capitolo, che hanno cercato di spiegare il comportamento atipico della mobilità in funzione della temperatura in cristalli organici semiconduttori.

Trasporto di carica in cristalli organici semiconduttori

Uno dei settori che più si stanno sviluppando nell'ambito della ricerca applicata è senza dubbio quello dell'elettronica organica. Nello specifico lo studio è sospinto dagli indubbi vantaggi che questi dispositivi porterebbero se venissero prodotti su larga scala: basso costo, semplicità realizzativa, leggerezza, flessibilità ed estensione. È da sottolineare che dispositivi basati su materiali organici sono già stati realizzati: si parla di OLED (Organic Light Emitting Diode) LED realizzati sfruttando le proprietà di elettroluminescenza di alcuni materiali organici, OFET (Organig Field Effect Transistor) transistor costruiti con semiconduttori organici, financo celle solari che sfruttano le buone proprietà ottiche di questi composti. Oggetto di analisi di questa tesi è lo studio delle proprietà di trasporto di alcuni cristalli organici, al fine di estrapolarne la mobilità intrinseca e verificare come essa cambi se sottoposti a radiazione x. I due cristalli su cui si è focalizzata questa trattazione sono il 1,5-Dinitronaphtalene e il 2,4-Dinitronaphtol; su di essi è stata eseguita una caratterizzazione ottica e una elettrica, in seguito interpretate con il modello SCLC (Space Charge Limited Current). I risultati ottenuti mostrano che c'è una differenza apprezzabile nella mobilità nei due casi con e senza irraggiamento con raggi x.

Rivelatori di raggi X basati su cristalli organici semiconduttori

Negli ultimi anni, i progressi della ricerca scientifica nell'ambito dell'elettronica organica hanno messo in luce le proprietà dei cristalli organici che rendono possibile un loro potenziale utilizzo nel campo della rivelazione di radiazioni ionizzanti. All'interno di questa tesi, analizzeremo le prestazioni di rivelazione di raggi X da parte di due cristalli che si distinguono tra loro per proprietà chimiche e fisiche: l'NTI e il Rubrene. Questi due materiali verranno sottoposti a misure elettriche, svolte in diverse condizioni di irraggiamento, e dai dati ottenuti sarà possibile analizzare la risposta alla radiazione da parte di ciascun dispositivo. Verranno valutate le capacità di rivelazione da parte dei due materiali studiati, in base ai parametri che caratterizzano i rivelatori di radiazione a stato solido, e sarà inoltre possibile mettere a confronto i risultati ottenuti dai due diversi cristalli e osservare eventuali comportamenti differenti.

Cristalli organici semiconduttori: proprietà di trasporto elettronico e applicazioni

In questo lavoro saranno inizialmente discusse le tecniche medianti le quali sono cresciuti i monocristalli organici confrontando le tecniche di crescita proprie dell’elettronica organica con quelle utilizzate comunemente in quella inorganica. Successivamente si introdurrà il problema del trasporto elettronico con particolare riguardo verso alcune molecole come il rubrene o il pentacene. Tramite il modello microscopico verranno studiate le interazioni elettrone-fonone, locale e non locale, in particolare nei cristalli di rubrene e DMQtT–F4TCNQ attraverso la teoria del piccolo polarone di Holstein. Dopo aver sottolineato i limiti di questa teoria ne verrà proposta una alternativa basata sui lavori di Troisi e supportata da evidenze sperimentali. Tra le tecniche utilizzate per l’analisi dei campioni verranno discusse le basi della teoria del funzionale di densità. L’attenzione sarà rivolta ai cristalli ordinati mentre una breve descrizione sarà riservata per quelli disordinati o amorfi. Nel capitolo 3 verrà trattato il ruolo degli eccitoni all’interno dei semiconduttori organici, mentre nell’ultimo capitolo si discuterà di diverse applicazioni dei semiconduttori organici come la costruzione di FET e di detector per raggi X. Infine verranno mostrati il setup sperimentale e il procedimento per l’estrazione di parametri di bulk in un semiconduttore organico tramite analisi SCLC.

Modulazione in gas della conducibilità di cristalli organici

Nel presente lavoro verrà analizzata la sensibilità di cristalli organici semiconduttori alle sostenze chimiche presenti nell'ambiente. Verranno studiati gli effetti prodotti dall'umidità dell'aria su campioni che si differenziano per caratteristiche chimiche e morfologia di contatto, analizzando la differenza nei valori di conducibilità in tre diverse condizioni ambientali: in aria, in azoto e in vapore acqueo. Saranno presentate le misure I-V effettuate e discusse le differenze tra i risultati ottenuti in relazione alle diverse caratteristiche dei campioni. Verrà infine proposta una possibile interpretazione degli effetti osservati.

Characterization of X-ray detectors based on organic semiconducting single crystals

Negli anni recenti, lo sviluppo dell’elettronica organica ha condotto all’impiego di materiali organici alla base di numerosi dispositivi elettronici, quali i diodi ad emissione di luce, i transistor ad effetto di campo, le celle solari e i rivelatori di radiazione. Riguardo quest’ultimi, gli studi riportati in letteratura si riferiscono per la maggiore a dispositivi basati su materiali organici a film sottile, che tuttavia presentano problemi relativi ad instabilità e degradazione. Come verrà illustrato, l’impiego di singoli cristalli organici come materiali alla base di questi dispositivi permette il superamento delle principali limitazioni che caratterizzano i rivelatori basati su film sottili. In questa attività sperimentale, dispositivi basati su cristalli organici semiconduttori verranno caratterizzati in base alle principali figure di merito dei rivelatori. Tra i campioni testati, alcuni dispositivi basati su singoli cristalli di 6,13-bis (triisopropylsilylethynyl)-pentacene (TIPS-Pentacene) e 5,6,11,12-tetraphenyltetracene (Rubrene) hanno mostrato interessanti proprietà e sono stati quindi maggiormente studiati.

Analisi in spettroscopia ottica di cristalli molecolari organici

Nel settore dell'elettronica organica, i monocristalli organici sono particolarmente indicati, grazie al loro alto grado di purezza chimica, per lo studio delle qualità intrinseche di tutta la categoria dei cristalli organici. L'interesse applicativo si concretizza in dispositivi come LED, pannelli solari, sensori, display e componenti elettronici leggeri, flessibili e trasparenti. A tutto questo si aggiungono la biocompatibilità, il basso costo ed il basso impatto ambientale. L'obiettivo del seguente lavoro di tesi è la caratterizzazione di alcuni monocristalli in base alle loro proprietà ottiche ed optoelettroniche, analizzandoli mediante tecniche microscopiche in luce polarizzata e campo scuro e tecniche spettroscopiche di assorbimento e del voltaggio superficiale. Si è concentrata l'attenzione sul monocristallo di 4-idrossicianobenzene (4HCB), per la possibilità di confronto con risultati di precedenti analisi di spettroscopia in fotocorrente e per l'interesse verso applicazioni sensoristiche. Come risultato, per la prima volta, si è riuscito a ottenere uno spettro di assorbimento da un monocristallo di 4HCB dal quale si può stimare direttamente l'energia del bandgap del cristallo. Il valore ottenuto è minore di quello relativo all'analisi in fotocorrente, ma potrebbe corrispondere ad un bandgap di tipo ottico considerando che la presenza di stati localizzati dovuta al disordine molecolare provoca una diminuzione della distanza tra le bande. La misura è preliminare è va confermata, ma apre la strada ad ulteriori analisi spettroscopiche in condizioni sperimentali più favorevoli e/o ad analisi di altro tipo.

Proprieta optoelettroniche di film sottili di rubrene

Scopo del presente lavoro di tesi è lo studio dei processi di fotogenerazione e trasporto di carica in film sottili di Rubrene trasferiti su substrati differenti, attraverso un’analisi degli spettri di fotocorrente ottenuti in laboratorio. I cristalli sono studiati realizzando contatti ohmici mediante deposito di vapori di oro sul campione. Le prestazioni ottenute variano a seconda del substrato; i segnali di fotocorrente migliori derivano dai campioni su vetro. L’andamento qualitativo è il medesimo al variare dei cristalli, così come i valori di energia dei fotoni incidenti corrispondenti ai picchi massimi del segnale. Si evidenziano tuttavia distribuzioni di difetti leggermente differenti. Nell’analisi comparata tra gli spettri di assorbimento e fotocorrente si riscontra un comportamento antibatico; vari tentativi di simulazione e applicazione dei modelli finora noti in letteratura per i cristalli organici (sebbene non ve ne siano per i film sottili di Rubrene), mostrano la completa inapplicabilità degli stessi al presente caso di studio evidenziando la necessità di modelli teorici specificamente studiati per la nanoscala. Una ragionevole motivazione di tale scontro risiede proprio nel conflitto tra gli ordini di grandezza dei parametri delle strutture in esame e le leggi sulle quali si basano le analisi proposte in letteratura, incongruenza che non appare invece su scala micrometrica, ove tali modelli sono stati sviluppati.

Fotoconduttori organici come rivelatori di raggi X

Rispetto alle loro controparti inorganiche, i semiconduttori organici presentano proprietà che consentono di usarli in modi fino a qualche anno fa impensabili: sono facili ed economici da depositare, flessibili, leggeri e robusti. Queste caratteristiche li rendono tra le altre cose ottimi candidati come rilevatori a stato solido di raggi X che possono persino essere comodamente indossati o utilizzati in situazioni e luoghi prima inaccessibili a quelli inorganici. I semiconduttori organici sono tuttavia fondamentalmente diversi da quelli inorganici e i fenomeni che regolano il trasporto e la generazione di cariche sono più complessi e non ancora compiutamente compresi. Allo scopo di migliorare la loro comprensione, questa tesi mette a confronto alcuni modelli teorici di generazione e ricombinazione di eccitoni, così da individuare quello più rispondente alle misure sperimentali effettuate relativamente alla risposta fotoconduttiva di cristalli singoli di TIPS-pentacene irradiati con raggi X.

Studio di fotoconducibilità di cristalli di TIPS-pentacene

I semiconduttori organici presentano proprietà che consentono la produzione di dispositivi impensabili fino a pochi anni fa: sono flessibili, leggeri e robusti, ed inoltre facili ed economici da depositare. La loro capacità di rivelare direttamente la radiazione ionizzante, convertendola in segnale elettrico, li pone come ottimi candidati per una nuova generazione di rivelatori a stato solido per raggi X, utilizzabili in situazioni e luoghi prima inaccessibili a quelli inorganici, o addirittura comodamente indossabili. Tuttavia i fenomeni di fotogenerazione e raccolta di carica in questi materiali non sono ancora completamente compresi. Ottimali per lo studio di queste ed altre proprietà intrinseche sono le forme di impacchettamento a cristallo singolo. Questa tesi analizza e confronta i segnali elettrici di campioni di cristalli singoli di TIPS-pentacene quando esposti a flussi crescenti di radiazione visibile e di raggi X a diversi voltaggi, proponendo dei modelli per la loro interpretazione. Viene inoltre riportato un confronto con le stesse misure effettuate su un campione dello stesso materiale in forma di film sottile.

Transistors elettrochimici organici e la loro applicazione come sensori.

La presente tesi tratta della fabbricazione e del funzionamento di transistors elettrochimici organici (OECTs) composti da fi�lm sottili di poly(3,4-ethylenedioxythiophene) disperso con polystyrenesulfonic acid, o PEDOT:PSS, oltre che del loro possibile utilizzo come sensori. La trattazione si apre con una panoramica sui polimeri conduttivi, siano essi puri o drogati, e sulle loro caratteristiche chimiche ed elettriche: diversi metodi di drogaggio consentono il loro utilizzo come semiconduttori. Tra questi polimeri, il PEDOT �e uno dei pi�u utilizzati poich�e presenta accessibilit�a d'uso e ottima stabilit�a nel suo stato drogato, pur risultando insolubile in acqua; per ovviare a questo problema lo si polimerizza con PSS. Le propriet�a di questo composto sono poi ampiamente discusse, soprattutto in ambito di applicazioni tecniche, per le quali �e neccessario che il polimero in soluzione sia depositato su un substrato. A questo scopo vengono presentate le principali techiche che consentono la deposizione, permettendo di creare fil�lm sottili di materiale da utilizzarsi, nell'ambito di questa tesi, come gate e canale dei transistors elettrochimici. A seguire viene esposta la struttura degli OECTs e spiegato il loro funzionamento, modellizzando i dispositivi con un semplice circuito elettrico. Il confronto dei meno noti OECTs con i meglio conosciuti transistors a eff�etto campo semplifi�ca la comprensione del funzionamento dei primi, i quali sono rilevanti ai fi�ni di questa trattazione per il loro possibile funzionamento come sensori. In seguito alla spiegazione teorica, vengono illustrati i metodi seguiti per la deposizione di �film sottili di PEDOT:PSS tramite Spin Coating e per la fabbricazione degli OECTs su cui sono state eff�ettuate le misure, le quali sono state scelte e presentate in base ai risultati gi�a ottenuti in letteratura e a seconda dei dati ritenuti necessari alla caratterizzazione del transistor elettrochimico nell'ottica di un suo possibile utilizzo come sensore. Perci�o sono state eseguite misure amperometriche in funzione delle tensioni di gate e di drain, alternatamente tenendo costante una e variando l'altra, oltre che in funzione della concentrazione di elettrolita, dell'area del canale e del tempo. In conclusione sono presentati i dati sperimentali ottenuti ed una loro analisi.

Fotocorrente spettrale di transistor organici irraggiati con protoni ad alta energia

Misure di fotocorrente ottenute utilizzando transistor organici irraggiati con protoni ad alta energia

Rivelatori organici di raggi x

L’interesse della ricerca per le applicazioni dei materiali organici all’elettronica è cresciuto ampiamente negli ultimi anni e alcuni gruppi di ricerca hanno studiato la possibilità di sfruttare materiali organici per costruire rivelatori diretti di raggi X. Nel 2003 si immaginava che l’assenza di elementi con numero atomico alto, propria della maggior parte degli organici, scoraggiasse il loro impiego come rivelatori. Tuttavia, la recente scoperta delle proprietà di fotoassorbimento dei monocristalli di 4-idrossicianobenzene (4HCB) potrebbe smentire questa ipotesi e, anzi, suscitare un certo interesse applicativo. Tra i possibili vantaggi operativi del 4HCB come rivelatore ci potrebbero essere, oltre al basso costo, tensioni di funzionamento sull’ordine dei volt e una certa flessibilità meccanica. L’obiettivo del seguente lavoro di tesi è esplorare la risposta che forniscono i monocristalli di 4HCB ai raggi X quando vengono installati su matrici flessibili con elettrodi di contatto in geometrie particolari, interspaziati di 22 µm. Sono state condotte varie misure di risposta elettrica al buio e sotto un fascio di raggi X e nel seguito saranno presentati i risultati. Il primo capitolo è dedicato ad un’introduzione teorica alla struttura dei materiali organici e ai modelli di trasporto dei semiconduttori organici. È evidenziato il fatto che non esiste ad oggi una teoria comprensiva ed efficace come per gli inorganici e vengono discussi alcuni metodi per determinare sperimentalmente la mobilità. La teoria Space Charge Limited Current (SCLC), che modella le caratteristiche corrente-tensione di un solido di piccolo spessore, quando il materiale ha bassa conducibilità e il suo trasporto di carica è mediato sostanzialmente da portatori dello stesso segno, viene introdotta nel capitolo 2. L’importanza di questo modello sta nel fatto che fornisce un metodo efficace per determinare sperimentalmente la mobilità dei portatori in molti materiali organici. Il campo dei rivelatori organici diretti di raggi X è piuttosto recente, e non esiste ancora un’efficace inquadratura teorica. Per questo motivo il capitolo 3 espone lo stato attuale dei rivelatori di raggi X e presenta i meccanismi alla base dei rivelatori inorganici diretti a stato solido e poi discute dei rivelatori organici indiretti già esistenti, gli scintillatori. La descrizione degli apparati sperimentali utilizzati per le misure viene demandata al capitolo 4, mentre il quinto capitolo espone i risultati ottenuti.

Rivelatori a stato solido per raggi X a base di pentacene

I rivelatori a stato solido per raggi X hanno applicazioni in diversi ambiti, in particolare sono ampiamente utilizzati in ambito medico, in ambito industriale e come dispositivi per la sicurezza. Essendo molto diffusi nella nostra quotidianità si è sempre alla ricerca di nuovi materiali e di nuove tecniche di fabbricazione in grado di ridurne i costi di produzione. Le ricerche attuali sono incentrate sullo studio di nuovi materiali sensibili ai raggi X, l'attenzione è particolarmente diretta ai semiconduttori organici. Questi materiali risultano molto interessanti in quanto sono solubili in molti solventi, tale caratteristica permette lo sviluppo di nuove tecniche di fabbricazione a basso costo per rivelatori di grandi aree. Una delle tecniche di maggiore interesse è la stampa a inchiostro su substrati flessibili e trasparenti. In questa tesi si analizzeranno le proprietà elettriche, in particolare la variazione del segnale di corrente in seguito all'irraggiamento da raggi X, di alcuni campioni costituiti da TIPS-pentacene. Ci si soffermerà in particolare sui metodi con cui tali cristalli sono stati deposti quali inkjet e drop-cast.

TIPS-pentacene come rivelatore di raggi-X

Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto europeo i-FLEXIS il cui obiettivo è lo sviluppo di un sensore di raggi X innovativo, affidabile, a basso costo e basato su componenti eterogenei organici. Attualmente, i rivelatori di radiazione ionizzante a stato solido fanno uso di materiali inorganici e sono ampiamente impiegati in ambito medico, industriale e come dispositivi per la sicurezza. Le scoperte scientifiche degli ultimi anni nell'ambito dei semiconduttori organici hanno evidenziato che tali materiali sono sensibili alla radiazione ionizzante e il loro utilizzo permette di realizzare rivelatori diretti di raggi-X, convertendo fotoni in segnale elettrico. Questi dispositivi sono caratterizzati da flessibilità, possibilità di lavorare a temperatura ambiente, basso costo di produzione, poca energia di alimentazione, alta sostenibilità ambientale e dalla possibilità di coprire grandi aree. Tutte queste proprietà concorrono ad incrementare sempre più l’attenzione e l’interesse dei ricercatori in questo relativamente nuovo mondo: i semiconduttori organici. In questa tesi sono stati esaminati cinque diversi campioni di TIPS-pentacene con la finalità di evidenziare quali si prestino meglio come rivelatori di raggi-X. I campioni sono tutti in diverse forme e spaziano dal cristallo singolo ai film sottili, con particolare attenzione al comportamento dei cristalli singoli cresciuti mediante processi di stampa direttamente sul substrato. Per quanto riguarda i semiconduttori organici, la frazione di raggi-X assorbita dai materiali è molto piccola e non è in grado di giustificare il segnale misurato. Si è effettuato inoltre un confronto tra la risposta dei campioni alla luce visibile e alla radiazione ionizzante per comprendere il meccanismo di generazione e rivelazione delle cariche in seguito all’assorbimento di raggi-X.