Perovskite lateral photoconductors for X-ray detection

Le perovskiti ad alogenuri metallici sono una famiglia innovativa di semiconduttori che trova varie applicazioni in optoelettronica. Specificamente per la rivelazione di raggi X, le perovskiti ad alogenuri a base di piombo offrono elevati coefficienti di assorbimento, grazie agli elementi pesanti presenti nella loro composizione. Infatti, le prestazioni dei rivelatori diretti a perovskite hanno già superato quelle dei pannelli a raggi X in commercio, diventando un valido candidato per la prossima generazione di rivelatori di radiazioni. Sebbene i rivelatori a raggi X a perovskite abbiano dimostrato prestazioni ottime, pochi studi hanno realizzato dispositivi di imaging a raggi X completi. Sfide come l'elevata corrente di buio dovuta alla migrazione degli ioni, crosstalk di carica, la stabilità, la valutazione standardizzata delle prestazioni e l'integrazione con l'elettronica di lettura devono essere affrontate. In questo contesto, ci concentriamo su inchiostri a perovskite sintetizzati in solventi non tossici, che possono essere stampati direttamente sul dispositivo di lettura, facilitando l'upscaling dei dispositivi. In questa geometria del dispositivo, lo strato assorbente viene irradiato verticalmente, mentre i portatori fotogenerati vengono raccolti lateralmente. In questa tesi, i fotoconduttori laterali vengono esplorati per verificare se possano rappresentare una reale alternativa nel futuro della rilevazione delle radiazioni ionizzanti. Il campo elettrico non uniforme aggiunge complessità alla generazione del segnale, per la quale non è stato ancora sviluppato alcun modello analitico. Pertanto, vengono utilizzate simulazioni numeriche agli elementi finiti per quantificare la distribuzione del campo elettrico sul sensore di immagini e l'efficienza di raccolta della carica sul singolo pixel. Inoltre, la struttura del dispositivo viene ottimizzata con l'incorporazione di diversi materiali di trasporto ed elettrodi, con un impatto sulla fotocorrente, sulla migrazione degli ioni e sulla stabilità. Viene poi segnalata un'amplificazione di carica, attribuita al guadagno fotoconduttivo a bassi flussi di raggi X. Vengono esplorati meccanismi per migliorare e controllare il guadagno, come la modifica della sintesi degli inchiostri perovskiti e la funzionalizzazione dello strato poroso con una seconda fase che funga da serbatoio di portatori. Tuttavia, i rivelatori di raggi X che si basano sul guadagno fotoconduttivo sono solitamente caratterizzati in funzione del tasso di dose in aria, una misura indiretta del flusso di raggi X e non direttamente correlata alla generazione di portatori all'interno del semiconduttore. Vengono discusse misure che sono solo imputabili al tasso di generazione e conducono a una descrizione coerente del guadagno rispetto ai raggi X e alla luce visibile. La determinazione di quantità come il tasso di generazione in un particolare materiale perovskite è resa possibile dalla modellazione dettagliata dell'intera catena di rivelazione, a partire dallo spettro dei raggi X. A questo fine, è stato progettato, installato e caratterizzato un nuovo sistema a raggi X per supportare la caratterizzazione accurata dei fotoconduttori laterali. Infine, viene affrontata la mancanza di standard prestazionali, caratterizzando i fotoconduttori laterali con la metrica più completa per la rivelazione dei raggi X ovvero l'Efficienza Quantica di Rivelazione. Questa efficienza è semplificata per un singolo pixel ed estesa per evidenziare le particolarità dei rivelatori a integrazione di energia che si basano sul guadagno fotoconduttivo a partire dalla modellazione dettagliata dei processi fisici alla base del segnale.

Metal halide perovskites are a groundbreaking family of semiconductors finding varied applications in optoelectronics. Specifically for X-ray detection, lead halide perovskites offer large absorption coefficients, due to the heavy elements in their composition. In fact, the performance of perovskite direct detectors has already overcome the state-of-the-art commercial X-ray panels, becoming a serious candidate for the next generation of radiation detectors. Although perovskite X-ray detectors have demonstrated outstanding performances, only a few reports realize complete X-ray imagers. Challenges such as high dark current from ion migration, charge sharing, stability, standardized assessment of performances and integration with readout electronics need to be addressed. In this sense, we focus on perovskite inks synthesized in benign solvents, that can be printed directly on the readout, facilitating the upscaling of the devices. In this device geometry, the absorber layer is irradiated vertically, while photogenerated carriers are collected laterally. In this thesis, lateral photoconductors are explored to verify whether they can be a real alternative in the future of ionizing radiation detection. The non-uniform electric field adds complexity to the generation of signal, for which no analytical model was yet developed. Therefore, finite element numerical simulations are used to quantify the electric field distribution on the imager, and the charge collection efficiency at a single pixel level. Moreover, the device structure is optimized with incorporation of different transport and electrode materials, with an impact on photocurrent, ion migration and stability. On the other hand, a charge amplification is often reported, attributed to photoconductive gain at low X-ray fluxes. Mechanisms to enhance and control the gain are explored, such as modifying the perovskite inks synthesis and functionalizing the porous layer with a second phase to act as a reservoir of carriers. However, X-ray detectors reliant on photoconductive gain are usually characterized as function of the dose rate in air, an indirect measure of X-ray flux, and not directly related to the carrier generation inside the semiconductor. Measurements only understood at the light of the generation rate are discussed, leading to a cohesive description of gain over X-ray and visible light. Determination of quantities such as the generation rate in a particular perovskite material are made possible by detailed modelling of the whole detection chain, starting at the X-ray spectrum. To this end, a new X-ray system was designed, installed and characterized to support the accurate characterization of lateral photoconductors. Finally, the lack of standards for performance was tackled, characterizing lateral photoconductors with the most complete metric of X-ray detection, the Detective Quantum Efficiency. This efficiency is simplified for a single pixel and expanded to highlight the particularities of energy integrating detectors that rely on photoconductive gain, from detailed modelling of the physical processes behind the signal.