הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

Dynamics רקומבינציה ב חומרים פוטו סרט דק באמצעות מוליכות מיקרוגל זמן נפתרה

11.3K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/55232

⸱

6 במרץ 2017

 ,  ,  , 
1ARC Centre of Excellence in Exciton Science, 2School of Physics, University of New South Wales, 3CSIRO, CSIRO Energy Centre, 4School of Chemistry, University of New South Wales

במאמר זה

סיכום

טכניקת מוליכות מיקרוגל שנפתרה בזמן לחקירת דינמיקת רקומבינציה ישירה ומתווכת מלכודת וקביעת ניידות נשא של מוליכים-למחצה של סרט דק מוצגת כאן.

תקציר

שיטה לחקירת דינמיקה רקומבינציה של נושאי מטען נגרם צילום במוליכים למחצה סרט דקים, במיוחד חומרים פוטו כגון perovskites הליד אורגן-עופרת מוצגת. עובי הסרט perovskite מקדם הקליטה בתחילה מאופיינים profilometry וספקטרוסקופיה הקליטה-VIS UV. כיול רגישות כוח ואת חלל הליזר הוא מתואר בפירוט. פרוטוקול לביצוע מוליכות מיקרוגל זמן נפתרה-photolysis פלאש (TRMC) ניסויים, שיטה ללא מגע קביעת המוליכות של חומר, מוצג. תהליך לזיהוי רכיבים אמיתיים ומדומים של מוליכות מורכבים על ידי ביצוע TRMC כפונקציה של תדר מיקרוגל הוא נתון. דינמיקת נושאי מטען נקבעת תחת משטרי עירור שונים (כולל הן כוח גל). טכניקות להבחנה בין תהליכי ריקבון ישירים בתיווך מלכודת מוצגות ודן.תוצאות הם מודל ופרשו תוך התייחסות למודל הקינטית כללי של נושאי מטען ומושרים במוליכים-למחצה. הטכניקות המתוארות החלות על מגוון רחב של חומרים אופטו, כוללים חומרים פוטו אורגניים ואי-אורגניים, חלקיקים, וניצוח / מוליכים למחצה סרטים דקים.

מבוא

מוליכות מיקרוגל פלאש-photolysis זמן נפתרה (FP-TRMC) מפקחת הדינמיקה של נושאי מטען צילום נרגש בסולם הזמנים NS-מיקרו-שניות, מה שהופך אותו לכלי אידיאלי עבור חוקרת תהליכים רקומבינציה נושאי מטען. הבנת מנגנוני הדעיכה של נושאי מטען נגרם צילום במוליכים למחצה סרט דקים היא בעל חשיבות עליונה במגוון של יישומים, כוללים אופטימיזציה מכשיר פוטו. עוד בימי חייהם המובילים המושרים הם בדרך כלל פונקציות של צפיפות ספק מושרה, גל עירור, ניידות, צפיפות מלכודת וקצב השמנה. מסמך זה מדגים את הרבגוניות של מוליכות מיקרוגל זמן לפתור הטכניקה (TRMC) על חקירת מגוון רחב של תלות דינמית מובילה (עצמה, אורך גל, תדירות מיקרוגל) והבהרות להם.

חיובי Photogenerated יכולים לשנות הן האמיתי ואת החלקים הדמיוניים של הקבוע הדיאלקטרי של חומר, תלוי ניידות degre שלהם דואר כליאה / לוקליזציה 1. המוליכות של חומר figure-introduction-1 הוא יחסי קבוע דיאלקטרי המורכב שלה

figure-introduction-2

איפה figure-introduction-3 התדירות היא של שדה חשמלי ומיקרוגל, figure-introduction-4 ו figure-introduction-5 הם החלקים הממשי והמדומה של הקבוע הדיאלקטרי. לכן, החלק האמיתי של המוליכות קשור חלק המדומה של קבוע דיאלקטרי, והוא יכול להיות ממופה על קליטת מיקרוגל, ואילו החלק המדומה של המוליכות (שייקרא להלן קיטוב) קשור שינוי תדר התהודה של שדה המיקרוגל 1.

t "> TRMC מציעה מספר יתרונות על פני שיטות אחרות. למשל, DC מדידות photoconductivity סובלים ממגוון של סיבוכים הנובעים פנייה החומר עם אלקטרודות. רקומבינציה משופרת בממשק אלקטרודה / חומר, חזרה הזרקת חיובים באמצעות ממשק זה, כמו גם כמו ניתוק של אקסיטונים ו לְהַכפִּיל זוגות משופר בשל המתח הוחל 2 כל אלה מובילים עיוותי mobilities הספק נמדד הגלגולים. לעומת זאת, TRMC היא טכניקת electrodeless המודדת את הניידות הפנימית של הספקים ללא עיוותים בשל לחייב העברה פני קשר .

יתרון משמעותי של שימוש בכוח המיקרוגל כמו בדיקה עבור דינמיקה מובילה הוא כי, כמו גם פיקוח על גלגולי חי הריקבון של נושאי מטען, מנגנוני ריקבון / מסלולים יכולים להיחקר גם.

TRMC ניתן להשתמש כדי לקבוע את החיים ניידים 3 והמוחלטיםזמן 4 של נושאי מטען מושרים. פרמטרים אלה יכולים לשמש מאוחר יותר להבחין בין מנגנוני רקומבינציה הישירים בתיווך מלכוד 3, 5. התלות של שני אלה מסלולי ריקבון נפרדים ניתן לנתח באופן כמוני כפונקציה של צפיפות ספק 3, 5 ו עירור אנרגיה / גל 5. הלוקליזציה / הכליאה של ספקים מושרים יכולה להיחקר על ידי השוואת הדעיכה של מוליכות vs polarizability 5 (דמיונית לעומת חלק אמיתי של קבוע דיאלקטרי).

בנוסף, ואולי הכי חשוב, TRMC יכול לשמש כדי לאפיין מדינות מלכודות אשר פועלות מסלולי ריקבון נושאי מטען. מלכודות Surface, למשל, ניתן להבחין בין מלכודות בתפזורת על ידי השוואת פסיבציה vs דגימות unpassivated 6. יכול מדינות תת-bandgapלהיחקר ישירות באמצעות אנרגיות עירור תת-bandgap 5. צפיפויות מלכודת ניתן להסיק על ידי התאמת נתוני TRMC 7.

בשל צדדיות של הטכניקה הזו, TRMC יושם ללמוד מגוון רחב של חומרים כולל: מוליכים למחצה סרט דק מסורתיים כגון סיליקון 6, 8 ו Tio 2 9, 10, חלקיקים 11, צינורות 1, 12 מוליכים למחצה אורגניים, תערובות חומר 13, 14, ו פוטו ההיברידית חומרים 3, 4, 5.

על מנת לקבל מידע כמותי באמצעות TRMC, חשוב להיות מסוגל לקבוע את מספר מדויקשנקלט פוטונים עבור עירור אופטי נתון. מאז שיטות לכימות קליטה של ​​שכבות דקות, חלקיקים, פתרונות ודוגמאות אטומות שונות, טכניקות ההכנה וכיול המדגם המוצגות כאן נועדו במיוחד עבור דגימות סרט דקות. עם זאת, פרוטוקול המדידה TRMC המוצג הינו כללי מאוד.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

לדוגמא הכנה 1.

זהירות: חלק מהכימיקלים המשמשים פרוטוקול זה יכול להיות מסוכנים לבריאות. אנא להתייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים הרלוונטיים לפני כל הכנת מדגם מתקיימת. לנצל ציוד מגן אישי מתאים (חלוקי מעבדה, משקפי מגן, כפפות, וכו ') בקרות הנדסה (למשל שבתא כפפות, קטר מכסה מנוע, וכו') בעת טיפול מבשרי perovskite, וממסים.

הערה: מטרת סעיף זה היא כדי ליצור סרט דק עובי אחיד על פני המצע. בעוד הליך זה הוא ספציפי הליד אורגן-עופרת perovskite מדגם, זה יכול להיות שונה עבור מגוון של דוגמאות וטכניקות הכנת מדגם כולל שיקוע, ספין ציפוי מקרטע, וכו 'התוצאה החשובה היא שכבה דקה ואחידה.

  1. ניקוי המצע
    1. מניח את קוורץ (או זכוכית וברזל נמוכה) מצע באמבטיה קוליתשל חומר ניקוי למשך 30 דקות.
    2. חזור על טיפול קולי עם מי ultrapure ולאחר מכן עם isopropanol.
    3. מניח את המצעים לנקות תחת פלזמת חנקן למשך 30 דקות ערבות ולהעביר לתוך כפפות חנקן.
  2. CH 3 NH 3 PBI 3 הכנת המדגם perovskite בשיטת interdiffusion 15
    הערה: השלבים הבאים מבוצעים שבתא כפפות חנקן.
    1. להוסיף 461 מ"ג של PBI 2 בקבוקון מדגם, ומעביר שבתא כפפות חנקן.
    2. להוסיף 850 μL של dimethylformamide נטול מים (DMF) 150 μL של dimethylsulfoxide נטול מים (DMSO) כדי מתוך ממס מעורב 85:15 DMF / DMSO.
    3. מוסיפים את PBI 2 אל DMSO DMF / ממס לחמם את התערובת על 100 ° C תוך ערבוב עם בר בוחש מגנטי עד 2 PBI נמס לגמרי.
    4. סנן הפתרון PBI 2 דרך PTFE 0.2 מיקרומטרלסנן לתוך בקבוקון מדגם נקי ולחזור הפלטה החשמלית C ° 100.
    5. ממיסים 50 מ"ג של CH 3 NH 3 אני ב 50 מ"ל של isopropanol נטול מים.
    6. לוותר 80 μL של פתרון PBI 2 חם על מצע זכוכית (בטמפרטורת החדר) ומיד ספין ב 5000 סל"ד למשך 30 שניות כדי ליצור סרט מבשר רזה PBI 2.
    7. להזריק נפח 300 μL של CH 3 NH 3 לי פתרון ישירות על גבי במרכז הסרט 2 PBI, ומיד ספין מעיל פתרון זה ב 5000 סל"ד למשך 30 שניות.
      הערה: צעד זה צריכה להתבצע עם לוותר יחיד בטוח של CH 3 NH 3 לי הפתרון. היזהר, כדי למנוע מטפטף מכוון שכן הדבר עלול לפגוע באיכות של הסרט שהתקבל.
    8. מניח את המדגם על פלטה חמה ב 100 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות, כך הסרט המבשר מתגבש לתוך מבנה perovskite. וכתוצאה מכך CH 3 NH 3 PBI 3 הסרט צריך להיות SMOoth, עם משטח מראה דמוי וכ -250 ננומטר עבים.
  3. אנקפסולציה לדוגמא
    הערה: שלב זה הוא רק הכרח דגימות אשר סובלות השפלה אטמוספרי.
    1. ממיסים 10 מ"ג של פולי (methacrylate מתיל) (PMMA) ב 1 chlorobenzene מ"ל נטול מים. ספין מעיל המדגם עם 50 μL של פתרון PMMA ב 1000 סל"ד למשך 30 שניות.

אפיון דוגמה 2.

  1. מדגם למדוד את עובי
    1. Etch קו קטן על מדגם לוויה. סרוק את השטח ליד לחרוט זאת באמצעות profilometer. קבע את עובי הסרט L.
      הערה: יש לאחסן את המדגם (למשל מכוסה בנייר אלומיניום) חינם אור ללא חמצן (חנקן למשל) סביבה עד מוכן לשימוש.
  2. מדוד את ספקטרום הספיגה
    הערה: הפרטים של מדידה זו משתנות בהתאם המדגם (למשל אבקות vs opסרטי aque vs סרטים שקופים למחצה). ההליך הבא מיועד דגימות סרט דקות חצי שקופות. מטרת סעיף זה היא לקבוע את אורכי הגל של עניין לחקור (למשל לקבוע-פער להקה, תכונות excitonic, וכו '), וכדי לחשב F a, את החלק היחסי של פוטונים נספגו vs פוטוני אירוע בכל אורך גל של עניין.
    1. מניח את המצע המדגם (זכוכית שקופית למשל) ב בעל המדגם של ספקטרופוטומטר מתאים. שיא החזרת רקע (R (λ)) ו העברה (T (λ)) ספקטרה לפי הוראות היצרן. הערה: תקן החזרה כגון Bao 4 יכול לשמש גם כדי לקבל בסיס מדויק.
    2. החזר את המצע עם מדגם ולהקליט את ההחזרה (R (λ)) ו העברה (T (λ)) על פי הוראות היצרן. הפחת את המדידה ברקע להשיג ספקטרום מדויק.
      הערה: לקבלת דוגמיות אטומה, כפיpectrophotometer עם קובץ מצורף בתחום שילוב חייב לשמש. ההחזרה המפוזרת נמדדת בסעיף 2.2.1-2, אולם המדגם חייב להיות ממוקם בחלק האחורי של כדור שילוב, לפי הוראות יצרן.
    3. חשב את מקדם הקליטה באמצעות:
      figure-protocol-1
      הערה: איפה, d הוא העובי של הסרט בסנטימטר.
    4. לחשב את מספר נספג vs פוטוני אירוע באמצעות
      figure-protocol-2
      הערה: ודא מקדם קליטת מדגם עובי L יש באותן יחידות.
    5. לקבוע אורכי גל של עניין מן ספקטרום הספיגה על ידי בדיקה. אלה עשויים לכלול מעברים אופטיים או אורכי גל בקצה הלהקה או בזנב הלהקה. הערה א F בכל אורכי הגל אלה.
      הערה: תהליכי הכיול הבאים יש לבצע רק לפני הניסוי.

3. כיול כוח לייזר

הערה: בסעיף זה, עיין סכמטי עירור אופטי באיור 3. לייזרים גל מתכוונן כמו OPOS דורשים צימוד בכל אורך גל.

  1. זוג הלייזר ללא מרחב לתוך סיב
    הערה: אם הלייזר זמין כבר סיבים מצמידים, לדלג על סעיף זה.
    הערה: מצמדי סיבים במראה פרבוליות מחוץ ציר הם אכרומטית, כלומר כל אירוע אורכי הגל על ​​המראה ממוקד לנקודה המדגמת. כתוצאה מכך, הסיב ניתן מצמיד את ליזר השטח הפנוי באורך גל אחד, ואינו דורש התאמות בכל אורך גל. צעד זה צריך להיעשות לפני מדידות אחרות כל מבוצעות
    הערה: אפשר לעצב חלל TRMC והתקנה אופטית באמצעות ליזר מקום פנוי, אם כי המאפיין את כוח הליזר נספג במדויק reproducibly עשוי להיות מעט קשה יותר.
    1. קבע את אורך גל אירוע לערך הרצוי (למשל 750 ננומטר) על פי הפרוטוקול של היצרן. עבור לייזרים גל קבוע, שלב זה אינו נחוץ.
    2. בדוק את פרופיל קרן ליזר קורות צלובות גלויות. אם אלה קיימים, השתמשו אירוסים לאפשר קרן גאוסיאנית המרכזית רק לעבור מצמד הסיבים.
    3. יישר מצמד סיבים במראה פרבוליות מחוץ ציר כך קרן לייזר האירוע מיושר עם לציר האופטי של המראה.
    4. חבר את בסיב אופטי עד מצמד סיבים כדי חיישן כוח. ככל שעולה ליבת הסיבים, אור יותר ניתן בשילוב לתוך הסיב. סיב 1 מ"מ ליבת NA 0.48 עובד בצורה יעילה.
    5. מקסם צימוד סיבים בהספק נמוך על ידי ניטור הספק של הסיב עם חיישן כוח תוך התאמת הטיה זווית של מצמד סיבים. צימוד אופטימלי מושג כאשר הכח שהיא נמדדת על ידי החיישן מוגדל (כלומר כל התאמות לגבי תוצאת זווית הטית מצמד סיבים בתוך lower מדידת הספק)
      הערה: אם היישור הוא עני, זה אפשרי לפגוע החיפוי החיצוני של הסיבים. צליל מתקתק עולה כי חור מתבצע נשרף החיפוי. במקרה זה, מיד לכבות את לייזר ולבצע יישור גס של מצמד בהספק נמוך.
    6. בהדרגה להגדיל את כוח הליזר ולשפר את הצימוד כמו 3.1.5.
  2. מדוד גורם אובדן חלל
    הערה: סעיף זה צריכה להתבצע לאחר הליך צימוד סיבים המפורטים בסעיף 3.1.
    1. מדדו את הכוח המועבר דרך סיבים באמצעות חיישן כוח מתאים. מדידה זו מבוצעת לפני חיבור הסיבים לתוך החלל.
    2. מדדו את הכוח המדגם. הדרך הקלה ביותר היא חלל מורכב 4 צלחות ברבעון גל המהודקים יחדיו (ראה איור 4). לשם כך מדויק reproducibly, להתיר את החלל, למקם מסכה בגודל של בעל המדגם על המדגםלמקם ולמדוד את כוח הליזר להגיע הגלאים מבעד למסיכה.
    3. חשב את גורם פסד החלל על ידי חלוקת כוח הליזר נמדד הסיבים ידי הכח נמדד על פי המדגם. מדידה זו מביאה הפסדים גיאומטריים חשבון, כמו גם הפסדים בשל מרכיבי פעפוע ההתקנה.
    4. חזור על המדידה הזו לכל אורך גל של עניין.

4. הרכבה המדגם לתוך החלל

  1. הנח את הדוגמא בעל מדגם טפלון, תוכננה כך המדגם מרוכז החלל המוכנס פעם.
  2. הכנס את בעל המדגם לתוך החלל בבאתר של שדה חשמלי מרבי, עם הסרט הדק מול הקלט האופטי של החלל. איור 4 מראה סכמטית מפורטת של בעל חלל מדגם.

5. רגישות חלל כיול 14

הערה: תמונה עודפת שנוצרה תשלוםספקים להוביל לשינוי במוליכות מדגם figure-protocol-3 (SM -1) שתוצאתה ירידה בכוחה המיקרוגל משתקפת המחלל figure-protocol-4 . עבור שינויים קטנים מוליך 17, השינוי בשלטון מיקרוגל פרופורציונלי לשינוי במוליכות באמצעות גורם רגיש חלל figure-protocol-5 :
figure-protocol-6
השינוי מוליך figure-protocol-7 המדגם קשור שינוי המוליכות בתפזורת figure-protocol-8 בְּאֶמצָעוּת figure-protocol-9
הערה: כיול זה נחוץ להמרת כוח מיקרוגל לחייב הספק ניידות. אם המטרההמחקר הוא להשוות דינמיקה או להשיג תוצאות יחסית, כיול זה אינו נדרש.
הערה: בסעיף זה, עיין התקנת זיהוי המיקרוגל באיור 5.

  1. חבר יציאה 1 של מנתח הרשת ליציאת Connect קלט circulator יציאת 1. 2 של מנתח הרשת עד לנקודה במעגל רק לפני גילוי (למשל את הפלט של דיודה זיהוי או גלאי אפנון IQ). מדדו את הכוח לידי ביטוי מחלל טעון (כלומר עם המדגם הוכנס) כמו מדידת S21 2 יציאות, על מנת לקבל את עקומת התהודה של המעגל. 14
    הערה: אם החלל לא היה להתאים את מעגלי זיהוי מיקרוגל החיצוניים, עקומת התהודה תהיה שונה עבור החלל העצמאי vs החלל במעגל. לכן, עדיף למדוד את התהודה לא כמו מדידת השתקפות מיציאה אחת המחלל, אלא בתור thr מדידת 2 יציאות 'השתקפות'ough סירקולטור.
    הערה: תדר התהודה נקבע בעיקר על ידי הגיאומטריה של חלל בשימוש. תדרי תהודה אופייניים עבור TRMC נמצאים X-band (~ 10 גיגה רץ) ו- Q-band (~ 34 גיגה רץ), הגם שכל תדר מיקרוגל יכול עקרונית לשמש. בכתב היד הזה, אנו משתמשים חלל עם תדר תהודה של ~ 6.5 GHz, אשר נותן מענה מיקרוגל דומה תוך מתן מרחב מדגם גדול יותר בהשוואת חלל X-band.
  2. מטב את גורם איכות, figure-protocol-10 , של החלל עם בורג הכוונון ידי התבוננות מטבל התהודה להיות עמוק יותר וצר יותר.
    הערה: אופטימיזציה של גורם Q לא אומרת בהכרח למקסם את ש תוך הגדלת גורם Q מגביר את הרגישות, את זמן תגובת החלל figure-protocol-11 גם מעלה. זה עשוי להיות עדיף להפחית רגישות להשיג החלטה זמנית גבוהה. אם צילום הנגרמת נושאי מטען לשנות את קבוע דיאלקטרי משמעותי של החומר, תדר התהודה יכול גם temporally המשמרת מחוץ רוחב פס החלל אם Q הוא גדול, וכתוצאה מכך מדיד הספק מעוות. במקרים אלה, overcoupling מהוד מעט עשוי לשפר את הדיוק של כוח משתקף.
  3. מדוד ורשום את עקומת תהודה אופטימיזציה של שימוש מנתח הרשת כמתואר בסעיף 5.1.1.
  4. מגרש P משתקף / P אירוע בקנה מידה ליניארי ולהשתלב דמות תיקן הבסיס עם lineshape הלורנצי, כפי שמוצג באיור 6.
  5. חשבתי את גורם האיכות הטעונה figure-protocol-12 , באמצעות:
    figure-protocol-13
    הערה: איפה figure-protocol-14 הערך החצי הוא הרוחב המלא בבית (FWHM) של עקומת התהודהation "src =" / files / ftp_upload / 55,232 / 55232eq19.jpg "/> הוא תדר התהודה.
  6. חשבתי את הגורם הרגיש חלל (סנטימטר Ω) של החלל באמצעות 14:
    figure-protocol-15
    איפה figure-protocol-16 היחס בין משתקף לשלטון אירוע הוא בתדר התהודה, figure-protocol-17 הוא תדר התהודה הטעון, figure-protocol-18 הוא תדר התהודה, figure-protocol-19 דיאלקטרי הקבוע של החומר הוא בתדר התהודה, figure-protocol-20 הוא permittivity של שטח פנוי (F / ס"מ).
    הערה: נוסחא זו מניחה המדגם ממלא את החלל השלם.
  7. תקן את הגורם רגישות למדגם geometry:
    הגורמים התיקון הבאים חלים למדגם סרט דק של גודל [w × w × L], (L << ד), שמרכז החלל בבית z 0 = ד / 4 (כלומר בשדה מקסימלית החשמלי). הנה, L הוא עובי המדגם (סנטימטר), a ו- b הם הצדדים הארוכים וקצרים של החלל המלבני בהתאמה ו d הוא באורך של החלל (סנטימטר). א גורם רגישות תיקן הגיאומטריה ניתנת על ידי:
    figure-protocol-21
    כאשר C z, C xy הם הגורמים התיקון עקב מילוי שלם של מרחב החלל לאורך z וכיוון XY, נתון על ידי:
    figure-protocol-22
    figure-protocol-23

6. נוהל מדידת חלוף יחיד TRMC

  1. לקבוע פרמטרי מדידה אופטימליים: ידני למצוא אות
    הערה: טיעוןse עיין סכמטי ניסיוני המוצג באיור 2, לפני שתקראו את הסעיפים הבאים של הפרוטוקול.
    הערה: הגדרת מעגלי זיהוי במיקרוגל יכול להיעשות גם על ידי יד או באמצעות התוכנה המתאימה. בדרך כלל, עבור כל מדגם חדש, הפרמטרים המדידים (כגון תדר תהודה, כוח המיקרוגל, עמדת הדק זמן-בסיס) אינם ידועים וחייבים להיות מותאמים לזהות / לייעל את האות. זה נעשה בדרך כלל באופן ידני. לאחר האות זוהה, הפרמטרים המדידים ואז מוזנים לתוך MATLAB (או אחר) תסריט להשתמש בו כדי להפוך את תהליך המדידה.
    1. כוון את לייזר באורך גל של עניין, כפי שנקבע בסעיף 2.2.5.
    2. אם הליזר יש הגדרת כוח מתכוונן, להגדיר את כוח הפלט מקסימאלי, בהתאם להוראות היצרן. (זה עשוי להיות כרוך באופן ידני התאמת ידית כוח, או ניתן לעשות זאת באמצעות התוכנה תלוי לייזר).
    3. חבר את (כברסיבים מצמידים אופטיים) כדי חיישן כוח, ולמדוד את כוח הליזר המועבר דרך הסיבים באמצעות מד כוח. הסיבים אינם מחוברים החלל בשלב זה.
      הערה: לקבלת לייזרים פעמיו קצרות מאוד, זה נעשה לעתים קרובות הטוב ביותר באמצעות תרמית (הספק ממוצע) חיישנים ולא חיישני דיודה, אשר עשוי לעבור רוויה זמנית או אפילו פירוט דיאלקטרי ב סמכויות מאוד גבוהות.
    4. השתמש צפיפות ניטראלית (ND) מסנן כדי להחליש את כוח הליזר לרמת כוח רצוי.
      הערה: אפשר להגדיר את הכח לרמה נמוכה ולא להשתמש במסננים, אבל קריאת כוח מדויקת יותר ניתן להשיג על ידי מדידת מתח גבוה אז ההתעלמות מהגירויים.
    5. חישוב ph N, מספר הפוטונים נספג / 2 ס"מ / הדופק בעצימות עירור זה באמצעות:
      figure-protocol-24
      figure-protocol-25
    6. חבר את הסיב אל החלל.
    7. הגדר את המעגלים זיהוי כפי שמוצג באיור 5.
      הערה: מנתח רשת וקטור בה שימוש כדי לבצע מדידות אלה; אולם אפשר להשתמש התקנת זיהוי מיקרוגל חלופית, למשל באמצעות דיודה מיקרוגל כחיישן כוח.
    8. הגדר את מקור תדר מיקרוגל לתדר התהודה של חלל טעון, כפי שהיא נמדדת בסעיף 5. ההגדרה שלנו באמצעות מנתח הרשת, זה כרוך המאפשר פלט תדירות רציפה הזנה ידנית את התדר של גלי מיקרו פלט.
    9. הגדר את הכוח במיקרוגל כדי 0 dBm.
    10. לעורר את נתח רשת (או גלאי חלופי) באמצעות לייזר. קבע את ההדק לקזז צורך ללכוד את העלייה של האות עם כמה מיקרו שניות של האות 'אפל' לפני הדופק לייזר להשתמש כבסיס עבור הולם. הגדרת ההדק לקזז 1/10 של אורך האות עובד היטב (למשל, אם האות הוא ארוך 100 מיקרו-שניות, אז baseline ההדק צריך להתקזז על ידי 10 מיקרו-שניות). זו כרוכה בשינוי במצב ההדק "חיצונית", והתאמת ההדק לקזז עד האות נמצאת.
    11. התאם את timebase של מנתח הרשת (או גלאי חלופי) כך הזנב החולף הוא הרבה יותר כי הריקבון הראשוני. לעתים קרובות, יש זנב ארוך אשר נמשך גם כאשר הוא מופיע (בסולם ליניארי) כי האות יש רקובים לרצפת הרעש.
      הערה: כדי לקבוע אם timebase בשימוש הוא מספיק ארוך, להקליט חולף TRMC בממוצע ולאחר מכן העלילה בסולם לוג-לוג.
  2. מדוד חולף גלם
    הערה: בדרך כלל, כאשר קבלת סוויטות נתוני TRMC, תהליך המדידה הוא אוטומטי על ידי התממשקות עם מקור מיקרוגל גלאי. במאמר זה, תסריט MATLAB תוצרת בית נעשה שימוש כדי להגדיר את פלט המיקרוגל (freq, וכוח) וגם להגדיר את רכישת המדידה (בסיס זמן מדידה, לקזז הדק, o מספרממוצעים ו).
    1. אם המדידות הן אוטומטיות, קלט את תדירות מיקרוגל כוח, כמו גם את הבסיס לקזז הדק רכישה ומדידת הזמן אשר נקבע בסעיף הנ"ל לתוך סקריפט הניסוי.
    2. בעוד ברציפות פועם הלייזר, למדוד ולהקליט חולף ריקבון TRMC על מנתח הרשת (או גלאי חלופי). עקבות ממוצעות לפחות 100 (גם אם S / N הוא גבוה מאוד עם מדידת ירייה אחת) כדי לפצות על וריאציות כוח ירה אל יירו הליזר פעם. אם המדידות הן אוטומטיות, זה נעשה על ידי הפעלת סקריפט הניסוי.
      הערה: ממוצעים עשויים להידרש לקבל אות לרעש מספיק, במיוחד עבור דגימות עם ארוך, זנבות ריקבון משרעת קטנה כמו שמוצג באיור 7.
      הערה: Inverted ארעי, או ארעי עם 'אונות' חיוביות ושליליות, עשוי להצביע על כך תדירות המיקרוגל היא לא בתדר תהודת החלל. התאם את היםתדירות ource עד האות החולפת מוגדלת.
    3. ניתקתי את סיב המחלל מכסה את היציאה האופטית. קח רקע קריאה עם מספר זהה של ממוצעים כמו בשלב הקודם, עם מדגם עדיין מהוד, אבל כבר לא מואר.
    4. הפחת את עקבות רקע מעקב האות.
  3. לעבד נתונים גולמיים נייד לכל נושאי מטען
    1. חישוב שינוי בשלטון משתקף דרך
      figure-protocol-26
      הערה: איפה figure-protocol-27 הוא ערך הבסיס של חולף הגלם (לפני התאורה) ו figure-protocol-28 הוא נתונים ארעיים גלם.
      הערה: אם אמצעי הגלאי למתח שאינו כוח (דיודה למשל + אוסצילוסקופ), ואז גורמים קנה מידה חייב להיות כלול. הגורם הדרוג בדרך כלל מצוטט על ידי דיצרנית iode; אחרת זה עלול להיות מושגת על ידי ביצוע כיול של מתח המוצא לעומת כוח מיקרוגל קלט.
      figure-protocol-29
    2. המרת השינוי בשלטון משתקף לניידות לכל נושאי מטען (כלומר rescale חולף) באמצעות:
      figure-protocol-30
      הערה: איפה figure-protocol-31 תואם את סוף דופק הליזר, figure-protocol-32 החיוב הוא של אלקטרון, figure-protocol-33 היחס הוא בין הממדים הקצרים וארוכים של החלל figure-protocol-34 מספר הנספגים פוטונים לס"מ 2 ו figure-protocol-35 (Ω) סיפר p מיקרוגל משתקףower לשינוי ΔG המוליכות. rescaling זה מאפשר השוואה בעלת המשמעות של הארעיים TRMC נלקחו ב סמכויות אורכי גל ליזר שונות.
      הערה: figure-protocol-36 למעשה היא הניידות הכוללת של אלקטרונים וחורים. עם זאת, אנחנו לא יכולים להבחין בין תרומות אלה באמצעות TRMC, ולכן אנו לכרוך אותם יחד לפשטות.
    3. התאם את עקבות TRMC עם דגם מתאים.
      הערה: זו היא פשוטה אם הנתונים כדלקמן צורה מעריכית יחידה או כפולה. עם זאת, הנתונים אכן יש טופס פשוט זה עשוי להיות נחוץ כדי להתאים את הנתונים למודל הקינטית שינויים שמהותם הולם הפתרון של אודה (ראה איור 7). המודל / המשוואה ההולם צריך להיות ומפותל עם פונקצית תגובה מכשירה (למשל גאוס מרוכז ב ליזר t = t ברוחב המתאים את זמן התגובה של המכשיר אשר מגביל את הרזולוציה הזמנית של הנתונים.)

7. לבדיקת רכיבי אמיתיים ומדומים של מוליכות

  1. מדידת TRMC עקבות כפונקציה של תדירות בדיקת מיקרוגל
    הערה: (המורכבת) דינמיקת המוליכות ניתן מפורקים אל ממשיות (מוליכות) ומדומים (קיטוב) רכיבים על ידי לקיחת מספר TRMC עקבות בתדרי מיקרוגל הפורש עקומת התהודה של החלל הטעון.
    1. מהי תדירות התהודה figure-protocol-37 של החלל עם המדגם בחושך מעקום תהודת חלל S21 (ראה איור 6).
    2. בחר x> 20 נקודות תדר figure-protocol-38 לאורך עקומת תהודה זו. נקודות אלה תשמשנה כדי להתאים פונקציה של לורנץ, ולכן עדיף אם יש יותר נקודות קרובות ג תהודה בתדר f הכהה (ראה איור 9).
    3. קבע את אורך הגל עירור תלוי בדינמיקה הקיטוב של עניין (למשל, מעל bandgap עבור קיטוב המוביל חינם,-bandgap משנה עבור קיטוב תשלום לכוד).
    4. הגדר את כוח הליזר למקסימום (זה ייתן את S הגבוה ביותר / N).
    5. מדוד את כוח לייזר מתוך הסיב. הגדר את תדירות המיקרוגל החללי לתדר התהודה של החלל בחושך figure-protocol-39 .
    6. השג שמץ TRMC כמפורט בסעיף 6. חזרו על המדידה המתוארת לעיל בעצימות ליזר קבועות figure-protocol-40 .
  2. נתונים תדר שלאחר עיבוד: דקונסטרוקציה לחלקים אמיתיים ומדומים
    1. מגרש כוח חולף TRMC figure-protocol-41 כתקופת פונקציה ותדירות מיקרוגל חלליתes / ftp_upload / 55,232 / 55232eq116.jpg "/>, כפי שמוצג באיור 8.
    2. עלילה figure-protocol-42 ו figure-protocol-43 , הכוח TRMC בזמן t = 0 ו t = סוף הדופק לייזר עבור כל תדר מיקרוגל, כפי שמוצג באיור 8.
    3. עבור כל פרוסה בזמן figure-protocol-44 , לבנות עקומת תהודה figure-protocol-45 .
    4. העקומה הזו עם הלורנצי להשיג את תדר התהודה figure-protocol-46 , וכוח התהודה figure-protocol-47 .
    5. עלילה figure-protocol-48 לעומת figure-protocol-49 להשיג היסטרזיס דמוי קוטבהאבולוציה ization העלילה (ראה הבלעה באיור 8).
    6. חשבתי את התדירות חולפת מנורמל משמרת כוח חולף דרך:
      figure-protocol-50
      figure-protocol-51
    7. עלילת שינוי תדר תהודה figure-protocol-52 , לשנות בשלטון תהודה figure-protocol-53 ולשנות בשלטון חולף בתדר מרכז החלל figure-protocol-54 , כפי שמוצג באיור 10.

8. Suite נתונים Intensity Dependent

  1. כוון את לייזר באורך גל של עניין, כפי שנקבע בסעיף 2.2.5.
  2. הגדר את כוח לייזר למקסימום.
  3. מדוד את כוח לייזר מתוך הסיב.
  4. חבר את הסיב אל החלל.
  5. השג חולף יחיד TRMC כמפורט בסעיף 6.
  6. כנס מסנן ND מקום בין הליזר לבין הסיבים (או בין שני אירוסים, או ממש לפני מצמד הסיבים. ללייזרים בהספק סיבים, מסנן ND יש להציב בין תפוקת סיבים ואת היציאה האופטית החלל).
  7. חישוב ולהקליט את המספר השונה של פוטונים נספגו כמתואר 6.1.5.
  8. השג חולף יחיד TRMC כמפורט בסעיף 6.
    הערה: כמו הנחתה מגדילה, היא תהפוך צורך להגדיל את מספר ממוצע.
  9. חזור על 8.6-8.8 עבור שילובים רבים של מסנני ND כנדרש.
    הערה: תלות עוצמת לעתים קרובות הם נצפו על פני מספר סדרי גודל. מגבלת הספק גבוה מוגדר על ידי כוח לייזר תפוקה מקסימלית באורך גל נתון. מגבלת צריכת החשמל הנמוכה מוגדרת על ידי רגישות התקנת זיהוי.

9. Suite נתונים תלויים אורך גל

הערה: ORDאה להשוות הארעיים TRMC באורכי גל שונים, הלייזר חייב להיות מכויל בכל גל כזה אז ריכוז המוביל המושרה הוא קבוע.

  1. לקבוע את אורך הגל אשר מגביל את נשאי N צפיפות נושאי מטען מקסימלית המושרה השגה. זה עשוי להיות מוגבל על ידי כוח הליזר הזמין באותו אורך גל או על ידי המאפיינים הקליטים של המדגם. לדוגמא, כאשר מודדים ארעיים TRMC באורך גל פורש האמור לעיל, בין והמשטר תת-bandgap, הקליטה הנמוכה באורכי גל תת-bandgap תגביל את צפיפות ההספק המרבית.
  2. חשב את כוח לייזר צורך ליצור ספקים N צפיפות הספק התייחסות מתמדת זה בכל אורך גל באמצעות:
    figure-protocol-55
  3. כוון את לייזר כדי הגל הרצוי. הגדר את כוח לייזר לערך המחושב 9.2. חבר את הסיב אל החלל. השג חולף יחיד TRMC כפי שמתוארסעיף 6. חזרו על שלב 9.3 עבור כל אורך גל של עניין.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

תוצאות נציג המוצגים כאן התקבלו ממדגם הסרט 250 ננומטר CH 3 NH 3 PBI 3 דק.

הדינמיקה של המוליכות figure-results-1 יכול להיות קשור לדינמיקה של נושאי המטען figure-results-2 בְּאֶמצָעוּת

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

בעוד טכניקת TRMC יכול להציע שפע של מידע על הדינמיקה ומושרי נושאי מטען, זה מהווה מדד עקיף של מוליכות, ולכן אכפת, צריך לקחת אותו כאשר פירוש התוצאות. טכניקת TRMC מודדת ניידות מוחלטת, ולא ניתן להשתמש בו כדי להבחין בין mobilities אלקטרוני החור. הנחת היסוד כי מוליכות היא מידתית לשנות בשלטון משתקף מחזיקה רק כאשר השינוי הוא קטן (<5%) 16. יתר על כן, אם שינוי תדר תהודה במהלך הריקבון הוא גדול, אז בסך הכל (מורכבות) המוליכות תצטרכנה להיות מפורקות למרכיבים אמיתיים ומד...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

ההכרה נעשית למועצת המחקר האוסטרלית (LE130100146, DP160103008). JAG נתמך באמצעות פרס אוסטרלי לתואר שני, ו-DRM על ידי מלגת ARC Future (FT130100214). אנו מודים לניקוס קופידאקיס על הדיונים המועילים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
חומר ניקוי Hellmanex IIISigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en®ion=AU		Z805939מאכל ורעיל. ראה SDS.
עופרת (II) יודיד (99%)סיגמא אולדריץ'
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en®ion=AU		211168רעיל. ראה SDS.
דימתילפורממיד נטול מים (99.8%)Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en®ion=AU		227056רעיל. ראה SDS.
דימתיל-סולפוקסיד נטול מים (99.9%)Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en®ion=AU		276855רעיל. ראה SDS.
נטול מים 2-פרופנול (99.5%)סיגמא אולדריץ'
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en®ion=AU&gclid=
COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q		278475
מתילאמוניום יודידDyesol
www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html		MS101000נמכר גם על ידי Sigma Aldrich
Poly (מתיל מתקרילט)Sigma Aldrich445746
כלורובנזן נטול מים (99.8%)סיגמא אולדריץ'
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en®ion=AU		284513רעיל. ראה SDS.
<חזק>ציוד<חזק>חברה<חזק>דגם<חזק>הערות/תיאור
UV-VIS-NIR ספקטרופוטומטרפרקין-אלמר Lambda 900
ProfilometerVeecoDektak 150
מנתח רשת וקטוריתKeysight
www.keysight.com/en/pdx-x201927-pn-N9918A/fieldfox-handheld-microwave-analyzer-265-ghz?cc=US&lc=eng		Fieldfox N9918A
לייזר באורך גל מתכוונןOpotek
www.opotek.com/product/opolette-355		Opolette 355
מסנני צפיפות ניטרליתThorlabs
www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193		NUK01
מד כוחThorlabs
www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D		PM100D
חיישן כוחThorlabs
www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C		S401C
חללנבנהבהתאמה אישיתהחלל ששימש לניסוי זה תוכנן ונבנה בבית.

מקורות

  1. Park, J., Reid, O. G., Blackburn, J. L., Rumbles, G. Photoinduced spontaneous free-carrier generation in semiconducting single-walled carbon nanotubes. Nat. Comm. 6 (8809), (2015).
  2. Dicker, G., de Haas, M. P., Siebbeles, L. D., Warman, J. M. Electrodeless time-resolved microwave conductivity study of charge-carrier photogeneration in regioregular poly (3-hexylthiophene) thin films. Phys. Rev. B. 70 (4), 045203(2004).
  3. Oga, H., Saeki, A., Ogomi, Y., Hayase, S., Seki, S. Improved understanding of the electronic and energetic landscapes of perovskite solar cells: high local charge carrier mobility, reduced recombination, and extremely shallow traps. J. Am. Chem. Soc. 136 (39), 13818-13825 (2014).
  4. Ponseca, C. S. Jr, et al. Organometal halide perovskite solar cell materials rationalized: ultrafast charge generation, high and microsecond-long balanced mobilities, and slow recombination. J. Am. Chem. Soc. 136 (14), 5189-5192 (2014).
  5. Guse, J. A., et al. Spectral dependence of direct and trap-mediated recombination processes in lead halide perovskites using time resolved microwave conductivity. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 12043-12049 (2016).
  6. Kunst, M., Abdallah, O., Wünsch, F. Passivation of silicon by silicon nitride films. Solar energy materials and solar cells. 72 (1-4), 335-341 (2002).
  7. Hutter, E. M., Eperon, G. E., Stranks, S. D., Savenije, T. J. Charge Carriers in Planar and Meso-Structured Organic-Inorganic Perovskites: Mobilities, Lifetimes and Concentrations of Trap States. J. Phys. Chem. Lett. 6 (15), 3082-3090 (2015).
  8. Cosme, I., et al. Lifetime assessment in crystalline silicon: From nanopatterned wafer to ultra-thin crystalline films for solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 135, 93-98 (2015).
  9. Katoh, R., Furube, A., Yamanaka, K. I., Morikawa, T. Charge separation and trapping in N-doped TiO2 photocatalysts: A time-resolved microwave conductivity study. J. Phys. Chem. Lett. 1 (22), 3261-3265 (2010).
  10. Colbeau-Justin, C., Valenzuela, M. A. Time-resolved microwave conductivity (TRMC) a useful characterization tool for charge carrier transfer in photocatalysis: a short review. Revista mexicana de física. 59 (3), 191-200 (2013).
  11. Luna, A. L., et al. Synergetic effect of Ni and Au nanoparticles synthesized on titania particles for efficient photocatalytic hydrogen production. Applied Catalysis B: Environmental. 191, 18-28 (2016).
  12. Ferguson, A. J., Kopidakis, N., Shaheen, S. E., Rumbles, G. Quenching of excitons by holes in poly (3-hexylthiophene) films. J. Phys. Chem. C. 112 (26), 9865-9871 (2008).
  13. Ferguson, A. J., Kopidakis, N., Shaheen, S. E., Rumbles, G. Dark carriers, trapping, and activation control of carrier recombination in neat P3HT and P3HT: PCBM blends. J. Phys. Chem. C. 115 (46), 23134-23148 (2011).
  14. Savenije, T. J., Ferguson, A. J., Kopidakis, N., Rumbles, G. Revealing the Dynamics of Charge Carriers in Polymer:fullerene Blends Using Photoinduced Time-Resolved Microwave Conductivity. J. Phys. Chem. C. 117 (46), 24085-24103 (2013).
  15. Xiao, Z., et al. Efficient, high yield perovskite photovoltaic devices grown by interdiffusion of solution-processed precursor stacking layers. Energy Environ. Sci. 7 (8), 2619-2623 (2014).
  16. Infelta, P. P., De Haas, M. P., Warman, J. M. The study of the transient conductivity of pulse irradiated dielectric liquids on a nanosecond timescale using microwaves. Radiat. Phys. Chem. 10 (5-6), 353-365 (1977).
  17. Saeki, A., Seki, S., Sunagawa, T., Ushida, K., Tagawa, S. Charge-carrier dynamics in polythiophene films studied by in-situ measurement of flash-photolysis time-resolved microwave conductivity (FP-TRMC) and transient optical spectroscopy (TOS). Philosophical Magazine. 86 (9), 1261-1276 (2006).
  18. Choi, W., Miyakai, T., Sakurai, T., Saeki, A., Yokoyama, M., Seki, S. Non-contact, non-destructive, quantitative probing of interfacial trap sites for charge carrier transport at semiconductor-insulator boundary. Appl. Phys. Lett. 105 (3), 033302(2014).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

פוטו-וולטאיקה של שכבות דקותדינמיקת נושאי מטעןחומרי פרובסקיטרקומבינציה מתווכת מלכודותחלל מיקרוגלכיול לייזרמוליכות מרוכבתמדידות פוטולומינסנציה
Dynamics רקומבינציה ב חומרים פוטו סרט דק באמצעות מוליכות מיקרוגל זמן נפתרה
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.