Enhancement of X-ray detection by single-walled carbon nanotube enriched flexible polymer composite

연구 배경

텔루르화카드뮴, 탄화규소, 비정질 셀레늄 같은 무기 X선 검출 재료는 검출 효율이 높지만 비용이 높고 깨지기 쉬우며 유연하게 만들기 어렵고, 유연성을 위해 층을 얇게 하면 X선 흡수가 줄어듭니다. 반도체 고분자는 유연 기판 위에서 대면적으로 가공할 수 있지만, 유기 직접변환형 검출기에서는 유기 재료의 낮은 전자 이동도 때문에 X선이 만든 엑시톤이 재결합하여 광전류가 제한됩니다.

설계와 접근

금속성 SWNT를 공액 블록공중합체 poly(styrene-b-paraphenylene)(PS-b-PPP)로 톨루엔에 분산하고, p형 고분자 Super Yellow와 섞어 SWNT 농도 0~0.1 wt.%의 복합 용액을 만들었습니다. 60 nm 금(Au) 전극이 있는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판에 5 μm 두께의 복합막을 드롭캐스팅하고 LiF(5 nm)와 Al(60 nm)을 증착했습니다. SWNT의 전자친화도가 고분자보다 커서 SWNT-고분자 계면에서 전자는 나노튜브로, 정공은 고분자로 이동하므로 X선 유도 엑시톤이 재결합하기 전에 분리됩니다.

평가 방법

주사전자현미경(SEM)으로 분산 상태를 확인하고, 활성 면적 3 × 3 mm2 소자의 암전류-전압(I-V) 특성과 구리 타깃에서 발생한 8.06 keV Kα X선 아래의 광전류를 측정했습니다. 광전류는 역바이어스와 선량률에 따라 측정했고, 시간 응답은 선량률 7 mGy/s에서 셔터를 30초 간격으로 여닫으며 기록했습니다. 감도는 광전류-선량률 기울기를 활성 부피로 나누어 구했고, SNR은 광전류와 암전류의 비로 정의했으며, 0.005 wt.% 소자를 여러 굽힘 반경과 반복 굽힘 조건에서 시험했습니다.

연구 내용과 주요 결과

SEM에서 0.1 wt.% 복합막에도 심한 SWNT 응집은 관찰되지 않았습니다. 암전류 I-V 곡선은 SWNT 0.01 wt.%까지 정류 특성을 유지했지만 0.015 wt.%를 넘으면 양극성 특성을 보였으며, 연구진은 금속성 SWNT가 전도를 지배하기 때문으로 해석했습니다. 150 V, 7 mGy/s에서 광전류는 SWNT가 없을 때 2.86 nA, 0.01 wt.%에서 10.67 nA로 약 273% 컸습니다. 0.000 wt.%와 0.005 wt.% 소자는 바이어스에 따라 광전류가 포화되었지만 0.010 wt.% 소자는 포화되지 않았습니다.

광전류는 60 V, 90 V, 120 V에서 선량률에 선형으로 비례해 Fowler 모델을 따랐습니다. 다만 0.010 wt.% 소자는 -120 V에서 광전류가 갑자기 증가했고 시간 응답도 포화되지 않았습니다. 에너지 띠 분석에서 일함수 4.5 eV인 SWNT를 넣으면 쇼트키 장벽 높이가 전자는 2.3 eV에서 0.6 eV로, 정공은 0.8 eV에서 0.3 eV로 낮아져 접촉이 오믹에 가까워지고 공간전하제한전류가 흐르며, 연구진은 이를 느리고 포화되지 않는 응답의 원인으로 보았습니다.

150 V에서 감도는 SWNT 농도 0, 0.005, 0.01 wt.%에서 각각 12.5, 16.9, 38.9 μC/mGy/cm3였습니다. 0.010 wt.% 소자는 감도가 가장 높았지만 오믹에 가까운 접촉으로 암누설전류가 커져 SNR이 가장 낮았으며, -150 V에서 약 0.18이었습니다. 이에 연구진은 SWNT가 없는 소자보다 감도와 SNR이 모두 향상된 0.005 wt.%를 최적 농도로 선정했습니다.

7 mGy/s, 120 V 조건에서 0.005 wt.% 소자의 암전류는 굽힘 반경에 따라 구별할 만한 변화가 없었고 X선 유도 전류는 약간 변했습니다. 반경 0.5 cm로 1,000회 굽히며 100회마다 전류를 측정한 결과, 소자는 안정적인 X선 응답을 유지했습니다.

남은 과제

연구진은 SWNT에 의한 향상이 전극 접촉에 의해 제한된다고 밝혔습니다. SWNT 농도가 높으면 쇼트키 장벽이 낮아져 응답이 느리고 불안정해지며 암전류가 커지므로, 감도와 SNR의 균형을 고려해 SWNT 함량을 정해야 합니다.

다른 연구와의 연결

유기 반도체 단결정은 규칙적인 결정 내부의 전하 수송으로 X선을 직접 검출하는 반면, 이 검출기는 용액 공정 고분자막을 유지하면서 SWNT-고분자 계면을 더해 엑시톤을 분리합니다.