Integration of direct-written organic photodetectors and organic transistors: towards passive pixels for plastic large-area imagers

In the past few decades organic electronics has raised considerable interest because of solution processability, mechanical flexibility and tunable optical capabilities of organic semiconductors. The related development of solution process technology paves the way for large area, low cost and flexible electronics. Printing techniques mutated from graphical art can successfully cope with the need of patterning capability. Among them inkjet printing allows fast prototyping and reduced waste of material. In light exploiting applications organic semiconductors show outstanding characteristics with their high absorption coefficients and typical luminescence in the visible range of wavelengths. Organic LED-based screens and lighting systems are gaining more and more market share. Moreover, great scientific and engineering investigations are leading to significant improvement in the efficiency of organic solar cells. The field of organic photodetectors has seen a raise in research efforts during last years, opening the way to new optoelectronic applications in medical and industrial imaging, telecommunications and environmental control. The realization, characterization and optimization of organic photodetectors fabricated by means of inkjet printing technology are the research subjects of this thesis. After an introductive chapter, where a description of fabrication techniques and an overview of the state of art of inkjet printed photosensors are provided, the thesis is organised in two parts: the first concerning the optimization of vertical photodetectors aiming to their integration with switching elements to build an organic imager; the second focusing on the development of photodetectors with reduced dark current, extended spectral response or integrated in complex electronic circuits. Large area, non-fragile imagers are devices of great attractiveness for X-ray medical and industrial diagnostic, but a fully-direct-written matrix has not been demonstrated yet. Concerning these large area imagers, specific performances are requested for the light sensing element. In chapter 2 we go through a careful optimization of a first inkjet printed photodetector prototype. The feedback from characterization helped to adjust step by step the device structure to the specifics. The selection of bottom electrode and its functionalizer led to the realization of devices fulfilling the specifics for a large area imager. The following chapter is devoted to the fabrication of a prototype imager, after an introduction on the fundamentals of its operation principle. The integration of the photosensitive element described before with an addressing component is a non-trivial task and it is deeply discussed. Finally, the fabrication and the characterization of a direct-written organic imager is presented. While the first part is related to a specific application, the latter copes with three different purposes. In organic photodetectors electrode/semiconductor interface plays an important role determining the amount of carriers injection and consequently the dark current. This is a key performance that can enable or not the integration of a light sensor in system with demanding signal-to-noise ratio requirement. Moreover, interface traps can affect the response speed of the device. These considerations encouraged us to work on devices with a suitably synthesized interlayer. A double aim was sought for the new layer: to reduce dark current and to improve the wettability of the top water-based electrode on a hydrophobic photoactive material. Fabrication process and results of electro-optical characterization of these new detectors are presented in chapter 4. Photodetectors with photoactive blend based on small molecules is presented in chapter 5. Small molecules have some advantages with respect to polymers, in particular they are not affected by polydispersity and are characterized by a simpler purification technique. An approach that allows small molecule printing is proposed. Moreover, the extension of the photoresponse to NIR range was addressed. At last results of an in-depth study on the role of PFN are reported. In the last chapter another integration topic is presented. Being requirements on dark current and on photodetector dimensions more relaxed with respect to the strict ones of the first part, planar structure can be adopted. This choice was necessary to operate transistors of the circuit at their characteristic voltages. The validation of the realized system as dusk sensor is proven by full-system measurements.

Negli anni passati l’elettronica organica ha suscitato crescente interesse per via del fatto che i semiconduttori organici possono essere processati da soluzione, presentano flessibilità meccanica e proprità ottiche facilmente regolabili. Il conseguente sviluppo di tecnologie che sfruttano processi da soluzione apre la strada per un’elettronica flessibile, a larga area e basso costo. Le tecniche di stampa mutuate dalle arti grafiche danno la possibilità di soddisfare ampiamente la necessità di poter deporre materiali secondo un prefissato disegno. Tra queste la stampa a getto d’inchiostro premette la veloce realizzazione di prototipi e un ridotto spreco di materiali. Per quanto riguarda le applicazioni che sfruttano la luce i semiconduttori organici mostrano eccezionali caratteristiche grazie al loro alto coefficiente di assorbimento e la loro luminescenza nello spettro visibile. Gli schermi e i sistemi di illuminazione che sfruttano LED organici stanno guadagnando via via maggiori quote di mercato. Inoltre, il grande interesse scientifico e ingegneristico sta portando a significativi miglioramenti nell’efficienza delle celle solari organiche. Il campo dei fotorivelatori organici ha visto un incremento degli sforzi fatti dalla ricerca negli ultimi anni, cosa che sta aprendo la strada a nuove applicazioni optoelettroniche nell’imaging medico e industriale, nelle telecomunicazioni e nel controllo ambientale. La realizzazione, caratterizzazione e ottimizzazione dei fotorivelatori organici fabbricati per stampa a getto d’inchiostro sono il tema di ricerca presentato in questa tesi. Dopo un capitolo introduttivo, nel quale saranno fornite una descrizione delle tecniche di fabbricazione e una panoramica sullo stato dell’arte di fotorivelatori realizzati per stampa a getto d’inchiostro, la tesi è organizzata in due parti: la prima riguarda l’ottimizzazione di fotorivelatori verticali affiché siano integrati con elementi di selezione al fine di costruire un sensore di immagini organico; la seconda si focalizza sullo sviluppo di fotorivelatori con ridotta corrente di buio, risposta spettrale estesa o integrati in un circuito elettronico complesso. Sensori di immagine a larga area e robusti sono dispositivi di grande attrattiva per la diagnostica a raggi X medica e industriale, tuttavia non è ancora stata mostrata la realizzazione di una matrice completamente realizzata per scrittura diretta. Per quanto riguarda questi sensori di immagine a larga area sono richieste caratteristiche specifiche per l’elemento sensibile alla luce. Nel secondo capitolo passeremo in reassegna l’accurata ottimizzazione del primo prototipo di fotorivelatore fabbricato per stampa a getto d’inchiostro. I risultati della caratterizzazione optoelettronica hanno aiutato a migliorare passo dopo passo la struttura del dispositivo fino a rientrare nelle specifiche. La scelta dell’elettrodo inferiore e del suo funzionalizzante ha portato alla realizzazione di dispositivi che soddisfano le richieste necessarie per permettere la realizzazione di un imager a larga area. Il capitolo successivo, dopo aver introdotto i concetti fondamentali della modalità di operare di un sensore di immagine, è dedicato alla presentazione della fabbricazione di un suo prototipo. L’integrazione del suddetto fotorivelatore insieme a un componente di selezione non è compito facile e sarà ampiamente discussa. Infine, verrà presentata la realizzazione e la caratterizzazione di un imager organico realizzato per scrittura diretta. Mentre la prima parte è relativa a un’applicazione specifica, la seconda riguarda tre differenti obiettivi. Nei fotorivelatori organici l’interfaccia elettrodo-semiconduttore gioca un ruolo importante nel determiare la quantità di portatori iniettati e, conseguentemente, il valore della corrente di buio. Questa è una performance chiave che può permettere o meno l’integrazione del sensore di luce in un sistema con richieste stringenti sul rapporto segnale-rumore. Inoltre, le trappole interfacciali possono peggiorare la velocità di risposta del dispositivo. Queste considerazioni ci hanno spinto a lavorare su dispositivi con un interlayer opportunamente sintetizzato. È stato cercato un doppio scopo per il nuovo layer: la riduzione della corrente di buio e il miglioramento della bagnabilità dell’elettrodo superiore in formulazione acquosa sul materiale fotoattivo idrofobico. Il processo di fabbricazione e i risultati della caratterizzazione elettro-ottica di questi nuovi fotorivelatori sarà presentata nel quarto capitolo. Nel capitolo quinto saranno presentati fotorivelatori il cui materiale attivo è composto da piccole molecole. Quest’ultime hanno alcuni vantaggi rispetto ai polimeri, in particolare, non sono affette da polidispersione e il loro processo di purificazione è semplice. Verrà proposto un approccio che permette la stampa di piccole molecole. In aggiunta, è stato possibile estendere lo spettro di risposta alla luce fino alla regione del vicino infrarosso. Infine, i risultati sullo studio approfondito del ruolo del PFN saranno riportati. Nell’ultimo capitolo un altro problema di integrazione sarà trattato. Essendo più rilassate le richieste sulla corrente di buio e sulle dimensioni dei fotorivelatori rispetto a quelle della prima parte, è possibile adottare una struttura planare per i fotorivelatori. Tale scelta si è rivelata necessaria per poter applicare ai fotorivelatori le tensioni tipiche di funzionamento dei transistor organici del circuito in questione. La prova che il sistema realizzato svolge la funzione ricercata di sensore crepuscolare sarà mostrata grazie alle misure sull’intero circuito.