Recombinação Dynamics em Thin-film materiais fotovoltaicos via Condutividade Microondas resolvida no tempo

Joanna A. Guse; Timothy W. Jones; Andrew Danos; Dane R. McCamey

doi:10.3791/55232

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Artigo de método

Recombinação Dynamics em Thin-film materiais fotovoltaicos via Condutividade Microondas resolvida no tempo

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DOI:

10.3791/55232

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6 de março de 2017

Joanna A. Guse¹^,² , Timothy W. Jones³ , Andrew Danos⁴ , Dane R. McCamey¹^,²

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

Neste artigo

Resumo

Uma técnica de condutividade de microondas resolvida no tempo para investigar a dinâmica de recombinação direta e mediada por armadilha e determinar as mobilidades de portadoras de semicondutores de filme fino é apresentada aqui.

Resumo

Um método para a investigação dinâmica de recombinação de portadores de carga foto-induzidas em semicondutores de película fina, especificamente em materiais fotovoltaicos perovskitas como halogeneto de organo-chumbo é apresentada. A espessura da película perovskita e coeficiente de absorção são inicialmente caracterizada por perfilometria e espectroscopia de absorção UV-VIS. A calibração de sensibilidade, tanto a potência do laser e da cavidade está descrito em detalhe. Um protocolo para a realização de experiências de flash-fotólise resolvida no tempo Condutividade Microondas (TRMC), um método não-contacto de determinar a condutividade de um material, é apresentada. Um processo para identificar os componentes reais e imaginários do complexo através da realização de condutividade TRMC como uma função da frequência de microondas é dada. dinâmica de portadores de carga são determinadas sob diferentes regimes de excitação (incluindo alimentação e comprimento de onda). Técnicas para distinguir entre processos de deterioração diretos e mediada por armadilha são apresentados e discutidos.Os resultados são modeladas e interpretados com referência a um modelo de cinética geral de portadores de carga fotoinduzida em um semicondutor. As técnicas descritas são aplicáveis a uma ampla gama de materiais, incluindo materiais optoelectrónicos fotovoltaicas orgânicas e inorgânicas, nanopartículas, e realizando / semicondutor filmes finos.

Introdução

Flash-fotólise condutividade microondas resolvida no tempo (FP-TRMC) monitora a dinâmica de portadores de carga foto-animado na escala de tempo ns-microsiemens, tornando-o uma ferramenta ideal para a investigação de processos de recombinação transportadora de carga. Compreender os mecanismos de degradação de portadores de carga foto-induzidas em semicondutores de película fina é de uma importância fundamental em uma variedade de aplicações, incluindo a optimização do dispositivo fotovoltaico. As vidas transportadora induzidas são muitas vezes funções de densidade induzida transportadora, comprimento de onda de excitação, a mobilidade, a densidade armadilha e taxa de aprisionamento. Este trabalho demonstra a versatilidade da técnica de tempo resolvido Microondas Condutividade (TRMC) para investigar uma ampla gama de dependências transportadora dinâmicas (intensidade, comprimento de onda, freqüência de microondas) e suas interpretações.

cargas fotogeradas pode modificar tanto o real e as partes imaginária da constante dieléctrica de um material, de acordo com a sua mobilidade e Degre e de confinamento / localização ^1. A condutividade de um material figure-introduction-1 é proporcional à sua constante dieléctrica complexa

figure-introduction-2

Onde figure-introduction-3 é a frequência de um campo elétrico microondas, figure-introduction-4 e figure-introduction-5 são as partes real e imaginária da constante dieléctrica. Assim, a parte real da condutividade está relacionada com a parte imaginária da constante dieléctrica, e podem ser mapeados para a absorção de micro-ondas, ao passo que a parte imaginária da condutividade (posteriormente referida como a polarização) está relacionada com uma mudança na frequência de ressonância do campo de microondas ^1.

t "> TRMC oferece várias vantagens em relação a outras técnicas. Por exemplo, as medições de fotocondutividade DC sofrem de uma variedade de complicações decorrentes de contacto do material com os eléctrodos. recombinação reforçada na interface eléctrodo / material, volta de injecção de cargas através dessa interface, bem como uma melhor dissociação de excitons e pares geminados devido à tensão aplicada ² todos levam a distorções nas mobilidades transportadora medidos e vidas. em contraste, TRMC é uma técnica de eletrodo que mede a mobilidade intrínseca dos portadores sem distorções devido à transferência de carga em toda a contatos .

Uma vantagem significativa da utilização de energia de microondas como uma sonda para a dinâmica transportadora é que, assim como monitorar o tempo de vida de decaimento de portadores de carga, mecanismos de degradação / vias também pode ser investigada.

TRMC pode ser utilizado para determinar a vida total de mobilidade e ³Time ⁴ de portadores de carga induzidas. Estes parâmetros podem ser subsequentemente utilizada para distinguir entre os mecanismos de recombinação directas e mediadas por armadilha ^{^3,} ^5. A dependência destas duas vias separadas de decaimento pode ser quantitativamente analisada como uma função de densidade de portadores ^{^3,} ⁵ e energia de excitação / ⁵ comprimento de onda. A localização / confinamento de portadores induzidas pode ser investigado, comparando o decaimento da condutividade vs polarizability ⁵ (imaginário vs parte real da constante dielétrica).

Além disso, e talvez mais importante, TRMC pode ser utilizado para caracterizar estados de armadilhas que actuam como vias de decaimento dos transportadores de carga. Armadilhas de superfície, por exemplo, pode ser distinguido de armadilhas em massa, comparando amostras vs passivado unpassivated ^6. estados Sub-bandgap podeser directamente investigada utilizando sub-bandgap excitação energias ^5. Densidades armadilha pode ser deduzido pelo ajuste dos dados TRMC ^7.

Devido à versatilidade desta técnica, TRMC foi aplicada ao estudo de uma ampla gama de materiais, incluindo: semicondutores de película fina tradicionais, tais como silício ^{^6,} ⁸ e TiO ₂ ^{^9,} ^_10, as nanopartículas ^11, nanotubos de ^1, semicondutores orgânicos ^12, misturas de materiais ^{^13,} ¹⁴ e fotovoltaicos híbrido materiais ^{^3,} ^{^4,} ^5.

A fim de obter informação quantitativa usando TRMC, é essencial ser capaz de determinar com precisão o númerode absorção de fótons para um determinado excitação óptica. Desde métodos para quantificar a absorção de filmes finos, nanopartículas, soluções e amostras opacas diferem, a preparação e calibração técnicas de exemplo apresentados aqui são projetados especificamente para as amostras de película fina. No entanto, o protocolo de medição TRMC apresentado é muito geral.

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Protocolo

Preparação 1. Amostra

Atenção: Alguns produtos químicos utilizados neste protocolo pode ser perigoso para a saúde. Por favor, consulte todas as fichas de dados de segurança do material relevantes antes de qualquer preparação de amostra ocorre. Utilize equipamento adequado de proteção individual (jalecos, óculos de segurança, luvas, etc.) e controles de engenharia (por exemplo, porta-luvas, extractor de fumo, etc.) ao manusear os precursores perovskita e solventes.

NOTA: O objectivo desta secção é para formar uma película fina de espessura uniforme sobre o substrato. Embora este procedimento é específico para o halogeneto de organo-chumbo perovskita de exemplo, pode ser modificado para uma série de amostras e técnicas de preparação de amostras, incluindo a deposição de vapor, pulverização e revestimento por centrifugação, etc. O resultado importante é um filme fino uniforme.

A limpeza do substrato
1. Colocar o quartzo (ou baixo de vidro de ferro) de substrato num banho de ultra-sonsde detergente durante 30 min.
2. Repita o tratamento de ultra-som com água ultrapura e depois com isopropanol.
3. Colocar os substratos de limpeza por plasma de azoto durante 30 minutos imediatamente antes de serem transferidos para uma caixa de luvas de azoto.
CH ₃ NH ₃ ₃ PBI de preparação da amostra usando o método de perovskite ¹⁵ interdifusão
NOTA: Os passos seguintes são realizados no porta-luvas de azoto.
1. Adicionar 461 mg de PBI ₂ para um frasco de amostras, e transferir para uma caixa de luvas de azoto.
2. Adicionar 850 mL de dimetilformamida anidra (DMF) a 150 mL de dimetilsulf óxido anidro (DMSO) a partir de uma mistura 85:15 de DMF / DMSO solvente.
3. Adicionar o PBI ₂ para o DMF / DMSO solvente e aquecer a mistura a 100 ° C enquanto se agitava com uma barra de agitação magnética até o PBI ₂ se tenha dissolvido completamente.
4. Filtrar a solução através de um PBI ₂ de PTFE de 0,2 umfiltrar para um frasco de amostra limpo e voltar para a placa de aquecimento 100 ° C.
5. Dissolve-se 50 mg de ₃ CH ₃ NH I em 50 ml de isopropanol anidro.
6. Pipetar 80 ul da solução quente PBI ₂ sobre o substrato de vidro (a temperatura ambiente) e imediatamente girar a 5000 rpm durante 30 s para formar uma película fina de precursor de PBI _2.
7. Injectar um volume de 300 mL de CH ₃ NH ₃ eu solução directamente para o centro do filme PBI _2, e giram imediatamente revestimento desta solução a 5000 rpm durante 30 s.
  NOTA: Este passo deve ser realizado com um único confiante de distribuição da solução de CH ₃ I NH _3. Tenha cuidado para evitar gotejamentos não intencionais como isso afeta a qualidade do filme resultante.
8. Colocar a amostra numa placa de aquecimento a 100 ° C durante 2 h, de modo a que a película precursora cristaliza em uma estrutura de perovskita. O resultante CH ₃ NH ₃ ₃ PBI filme deve ser SMOOTH, com uma superfície espelhada e cerca de 250 nm de espessura.
encapsulamento amostra
NOTA: este passo é necessário apenas para amostras que sofrem de degradação atmosférica.
1. Dissolve-se 10 mg de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) em 1 mL de clorobenzeno anidro. Rotação revestimento da amostra com 50 ul de solução de PMMA a 1.000 rpm durante 30 s.

Caracterização 2. Amostra

Espessura da amostra medida
1. Etch uma pequena linha em uma amostra companheiro. Digitalizar a superfície perto deste etch usando um perfilômetro. Determinar a espessura do filme L.
  NOTA: A amostra deve ser armazenada em um leve livre (por exemplo, coberta em folha de alumínio) (por exemplo, azoto) ambiente livre de oxigênio até que esteja pronto para uso.
Medir o espectro de absorção
NOTA: Os detalhes desta medida variam de acordo com a amostra (por exemplo, pós vs opfilmes aque vs filmes semi-transparentes). O procedimento a seguir é projetado para amostras de película fina semi-transparentes. O objetivo desta seção é determinar os comprimentos de onda de interesse para investigar (por exemplo, determinar band-gap, características excitônicas, etc.), e para calcular F _a, a fração de fotões absorvidos vs fótons incidentes em cada comprimento de onda de interesse.
1. Colocar o substrato da amostra (por exemplo, lâmina de vidro) no suporte de amostra de um espectrofotómetro adequado. reflectância fundo Record (R (λ)) e transmitância (T (λ)) espectros de acordo com as instruções do fabricante. Nota: um padrão de reflexão, tais como BaO ₄ também podem ser usadas para se obter uma linha de base exacta.
2. Substituir o substrato com a amostra e registar a reflectância (R (λ)) e de transmitância (T (λ)) de acordo com as instruções do fabricante. Subtrair a medição de fundo para obter espectros precisas.
  NOTA: Para amostras opacas, comopectrophotometer com um anexo esfera de integração deve ser utilizado. A reflectância difusa é medida como no ponto 2.2.1-2, no entanto, a amostra deve ser colocada na parte de trás da esfera de integração, de acordo com as instruções do fabricante.
3. Calcular o coeficiente de absorção através de:
  
  NOTA: em que: d é a espessura da película em cm.
4. Calcule o número de absorvida vs fótons incidentes via
  
  NOTA: Certifique-se o coeficiente de absorção e espessura da amostra L tem as mesmas unidades.
5. Determinar comprimentos de onda de interesse a partir do espectro de absorção por inspecção. Estes podem incluir transições ópticas ou comprimentos de onda na extremidade da banda ou na cauda da banda. Note-se a _um F em cada um desses comprimentos de onda.
  NOTA: Os seguintes processos de calibração deve ser realizado imediatamente antes do experimento.

3. Calibração de potência de laser

NOTA: Nesta seção, consulte o esquema de excitação óptica na Figura 3. lasers de comprimento de onda sintonizável como OPOS requerem acoplamento em cada comprimento de onda.

Casal do laser de espaço livre em uma fibra
NOTA: Se o laser disponíveis já está fibra acoplada, pule esta seção.
NOTA:-Off eixo acopladores de fibra espelho parabólico são acromática, o que significa que todos os comprimentos de onda incidente no espelho são focados para o ponto de amostragem. Como resultado, a fibra pode ser acoplado ao laser de espaço livre em um comprimento de onda, e não requer ajustamentos em cada comprimento de onda. Este passo deve ser feito antes de quaisquer outras medidas são realizadas
NOTA: É possível projetar uma cavidade TRMC e configuração óptica usando um laser de espaço livre, embora de forma precisa e reprodutível caracterizar a potência do laser absorvida pode ser um pouco mais difícil.
1. Definir o comprimento de onda incidente para o valor desejado (por exemplo, 750 nm) de acordo com o protocolo do fabricante. Para lasers de comprimento de onda fixo, este passo é desnecessário.
2. Verifique o perfil do feixe laser para vigas visíveis. Se elas existirem, utilize íris para permitir apenas o feixe Gaussian central para passar para o acoplador de fibra.
3. Alinhar um fora do eixo espelho parabólico acoplador de fibra de modo a que o feixe de laser incidente é alinhado com o eixo óptico do espelho.
4. Ligar a fibra óptica para o acoplador de fibra e a um sensor de força. Quanto maior for o núcleo da fibra, tanto mais a luz pode ser acoplada na fibra. Um núcleo NA 1 milímetro 0,48 fibra funciona de forma eficaz.
5. Maximizar o acoplamento de fibras com baixa potência por monitorização da potência de saída da fibra com o sensor de alimentação enquanto se ajusta a inclinação e o ângulo do acoplador de fibra. Acoplamento óptimo é alcançado quando a potência medida pelo sensor é maximizada (ou seja, qualquer ajustamento do ângulo de inclinação resultado fibra acoplador numa Lower medição de potência)
  NOTA: Se o alinhamento é pobre, é possível danificar o revestimento exterior da fibra. Um som assinalando indica que um buraco está sendo queimado no revestimento. Neste caso, imediatamente desligar o laser e executar um alinhamento grosseiro do acoplador em baixa potência.
6. Aumentar gradualmente a potência do laser e aperfeiçoar o acoplamento como no ponto 3.1.5.
Meça fator de perda cavidade
NOTA: Esta seção deve ser realizada após o procedimento de acoplamento de fibra descrito na secção 3.1.
1. Medir a potência transmitida através da fibra utilizando um sensor de alimentação adequada. Esta medição é feita antes de ligar a fibra para dentro da cavidade.
2. Medir a potência na amostra. Isto é mais fácil se a cavidade é formada por placas de quarto de onda 4 aparafusadas em conjunto (ver Figura 4). Para fazer isso de forma precisa e reprodutível, desenroscar a cavidade, coloque uma máscara o tamanho do porta-amostras para a amostraposicionar e medir a potência do laser atingir o detector através da máscara.
3. Calcular o factor de perda cavidade dividindo-se a potência do laser medida na fibra pela energia medida na amostra. Esta medida leva em conta as perdas geométricas, bem como perdas devido aos componentes de difusão na configuração.
4. Repita esta medição para cada comprimento de onda de interesse.

4. Montagem da amostra na cavidade

Colocar a amostra num suporte de amostras de Teflon, concebido de tal modo que a amostra é centrada no interior da cavidade, uma vez inserido.
Inserir o suporte da amostra no interior da cavidade numa localização de campo eléctrico máximo, com a película fina de frente para a entrada óptica da cavidade. A Figura 4 mostra um esquema detalhado do titular da cavidade e da amostra.

5. Cavidade Sensibilidade Calibração ¹⁴

NOTA: foto excesso gerado cargatransportadoras conduzir a uma alteração na condutividade da amostra figure-protocol-3 (Sm ^-1) que resulta num decréscimo na potência das microondas reflectidas da cavidade figure-protocol-4 . Para as pequenas alterações na condutividade ^17, a mudança na potência de microondas é proporcional à alteração de condutividade através de um factor de sensibilidade cavidade figure-protocol-5 :
figure-protocol-6
A alteração na condutividade figure-protocol-7 da amostra está relacionado com a alteração na condutância grandes quantidades figure-protocol-8 através da figure-protocol-9
NOTA: Esta calibração é necessário para a conversão de energia de microondas para carregar mobilidade do portador. Se o objectivodo estudo é comparar a dinâmica ou obter resultados relativos, esta calibração não é necessária.
NOTA: Nesta secção, referem-se à configuração de detecção por microondas na Figura 5.

Ligue a porta 1 de um analisador de rede para a porta de entrada do circulador 1. Ligação porta 2 de um analisador de rede para o ponto do circuito de detecção, pouco antes (por exemplo, para a produção de um díodo de detecção ou detector de modulação IQ). Medir a energia reflectida a partir da cavidade carregado (isto é, com a amostra inserido) como uma medida S21 duas portas, a fim de se obter a curva de ressonância do circuito. ¹⁴
NOTA: Se a cavidade não tem sido acompanhado com o circuito de detecção de microondas externo, a curva de ressonância será diferente para a cavidade stand-alone vs cavidade no circuito. Assim, é melhor para medir a ressonância não como uma medição de reflexão uma porta a partir da cavidade, mas sim como um 2-port thr medição "reflexo"OUGH o circulador.
NOTA: A frequência de ressonância é principalmente determinada pela geometria da cavidade a ser usada. frequências de ressonância típicas para TRMC são encontrados em banda X (~ 10 GHz) e da banda Q (~ 34 GHz), embora qualquer frequência de microondas pode, em princípio, ser utilizados. Neste artigo, nós usamos uma cavidade com uma frequência de ressonância do ~ 6,5 GHz, o que proporciona uma resposta microondas semelhante e proporcionar um espaço de amostra maior, quando comparado com uma cavidade de banda X.
Otimizar o fator de qualidade, , Da cavidade com o parafuso de ajuste através da observação do mergulho ressonância tornar-se mais profunda e mais estreito.
NOTA: Otimizando o fator Q não significa necessariamente maximizar o P. Enquanto aumenta o fator Q aumenta a sensibilidade, o tempo de resposta cavidade também aumenta. Pode ser preferível reduzir a sensibilidade para obter maior resolução temporal. Se o portadores de carga foto-induzidas modificar significativamente a constante dieléctrica do material, a frequência de ressonância pode também deslocar temporariamente fora da largura de banda da cavidade, se a Q é grande, resultando em uma medição da potência distorcida. Nestes casos, o ressonador overcoupling ligeiramente pode melhorar a precisão da energia reflectida.
Meça e registre a curva de ressonância otimizada do usando um analisador de rede, conforme descrito no ponto 5.1.1.
Lote P _reflectida / _incidente P numa escala linear e ajustar o valor corrigido da linha de base com um LineShape Lorentziana, como mostrado na Figura 6.
Calcular o fator de qualidade carregado , através da:

NOTA: Onde é a largura total à meia altura (FWHM) da curva de ressonância eção "src =" / files / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> é a frequência de ressonância.
Calcular o fator de sensibilidade cavidade A (Ω cm) da cavidade através de ^14:

Onde é a razão entre a potência incidente reflectido à frequência de ressonância, representa a frequência de ressonância carregado, representa a frequência de ressonância, é a constante dieléctrica do material à frequência de ressonância, é a permissividade do espaço livre (F / cm).
NOTA: Esta fórmula assume o exemplo preenche toda a cavidade.
Corrigir o fator de sensibilidade para geometr amostraY:
Os seguintes fatores de correção aplicar para uma amostra de película fina de tamanho [w × w × L], (L << d), centrada na cavidade em z ₀ = d / 4 (ou seja, no campo eléctrico máximo). Aqui, L é a espessura da amostra (cm), a e b são os lados longos e curtos da cavidade rectangular, respectivamente, e d é o comprimento da cavidade (cm). A geometria corrigido um fator de sensibilidade é dada por:

onde C _z, C _xy são os fatores de correção devido a enchimento incompleto do espaço cavidade ao longo da z e direção xy, dada por:

6. Procedimento de medição Transient TRMC Individual

Determinar parâmetros de medição óptimas: encontrar manualmente sinal
NOTA: Please referem ao esquema experimental apresentado na Figura 2 antes de ler as seguintes seções do protocolo.
NOTA: a configuração do circuito de detecção de micro-ondas pode ser feito à mão ou usando o software apropriado. Tipicamente, para cada nova amostra, os parâmetros de medição (tais como frequência de ressonância, a energia de microondas, a posição de disparo e o tempo-base) são desconhecidos e deve ser ajustada para identificar / optimizar o sinal. Isto é geralmente feito manualmente. Uma vez que o sinal tiver sido identificado, os parâmetros de medição são introduzidas em um script MATLAB (ou outro) utilizado para automatizar o processo de medição.
1. Sintonize o laser a um comprimento de onda de interesse, conforme determinado no ponto 2.2.5.
2. Se o laser tem um ajuste de potência ajustável, ajustar a potência de saída máxima a, de acordo com as instruções do fabricante. (Isto pode envolver ajustar manualmente um botão de energia, ou pode ser feito através de software de acordo com o laser).
3. Ligue o (jáacoplado) de fibra óptica a um sensor de potência, e medir a potência do laser transmitida através da fibra utilizando um medidor de energia. A fibra não está ligado à cavidade nesta fase.
  NOTA: Para lasers pulsados muito curtos, esta é muitas vezes o melhor feito usando (potência média) térmica sensores em vez de sensores de diodo, que podem sofrer saturação temporal, ou mesmo de ruptura dielétrica em altas potências.
4. Use filtros de densidade neutra (ND) para atenuar a potência do laser a um nível de potência desejado.
  NOTA: é possível ajustar a potência para um nível inferior e não usar filtros, mas uma leitura de energia mais preciso pode ser obtido através da medição de alta potência, em seguida, atenuando.
5. Calcular N _pH, o número de fotões absorvidos / cm ² / pulso neste intensidade de excitação por meio de:
6. Ligar a fibra para a cavidade.
7. Defina-se a circuitos de detecção, como mostrado na Figura 5.
  NOTA: Um analisador de rede vector foi usado para realizar essas medições; no entanto, é possível utilizar uma configuração alternativa de detecção de micro-ondas, por exemplo, utilizando um díodo de microondas como um sensor de potência.
8. Defina a frequência fonte de microondas para a frequência de ressonância da cavidade carregado, conforme medido na seção 5. Para a nossa configuração usando o analisador de rede, isso envolve permitindo a saída de freqüência contínua e inserir manualmente a frequência das microondas de saída.
9. Defina a potência de microondas para 0 dBm.
10. Acionar o analisador de rede (ou detector alternativa), utilizando o laser. Determinar o gatilho deslocamento necessário para capturar o aumento do sinal com alguns microssegundos de sinal "escuro" antes do pulso de laser a ser usado como uma linha de base para a montagem. Configurando o gatilho compensar a 1/10 da duração do sinal funciona bem (por exemplo, se o sinal é de 100 uS longa, então o baseline gatilho deve ser compensado por 10 mS). Isto envolve mudar o modo de gatilho para "externo", e ajustar o gatilho deslocamento até que o sinal for encontrado.
11. Ajustar a base de tempo do analisador de rede (ou detector alternativa), de modo que a cauda transiente é muito mais longo que o decaimento inicial. Muitas vezes, há uma longa cauda, que persiste, mesmo quando ele aparecer (numa escala linear) que o sinal tenha decaído para o nível de ruído.
  NOTA: Para determinar se a base de tempo utilizado é suficientemente longo, gravar um transiente TRMC média e depois traçar em uma escala logarítmica.
Medida transitória crua
NOTA: Normalmente, quando a obtenção de suites de dados TRMC, o processo de medição é automatizado através de interface com a fonte de microondas e detector. Neste trabalho, um MATLAB roteiro caseira tem sido utilizada para definir a saída de micro-ondas (freq, ea energia) e também para configurar a aquisição de medição (base de tempo de medição, offset gatilho, número omédias F).
1. Se as medições são automatizados, a entrada da freqüência de microondas e poder, bem como a aquisição do desvio de gatilho e medição de base de tempo que foram determinadas na seção acima no script da experiência.
2. Enquanto continuamente pulsando a laser, medir e registrar um transiente decadência TRMC em um analisador de rede (ou detector alternativo). Média de pelo menos 100 traços (mesmo que o S / N é muito elevado, com uma medição de tiro) para compensar as variações de potência tiro-a-tiro do laser pulsado. Se as medições são automatizados, isto é feito por meio da execução do script da experiência.
  NOTA: Média pode ser necessária para obter o sinal-para-ruído suficiente, em especial para amostras com longas, pequenas caudas amplitude de decaimento tais como mostrados na Figura 7.
  NOTA: Inverted transientes ou transientes com 'lobos' positivo e negativo, pode indicar que a freqüência de microondas não é a frequência de ressonância da cavidade. Ajuste as sfrequência ource até que o sinal transiente é maximizada.
3. Desligar a fibra a partir da cavidade e a tampa do porta óptica. Aqui uma leitura de fundo com o mesmo número de médias, como na etapa anterior, com a amostra ainda no ressoador, mas deixou de ser iluminado.
4. Subtrair o traço de fundo do sinal de rastreamento.
Processar os dados brutos em mobilidade por portadores de carga
1. Calcule mudança na potência refletida via
  
  NOTA: Onde é o valor da linha de base do transitório bruto (antes de iluminação) e são os dados transitória cru.
  NOTA: Se as medidas detector de tensão não poder (por exemplo Diode + osciloscópio), então um fator de escala deve ser incluída. O fator de escala é geralmente citado pela dfabricante iode; caso contrário, pode ser obtido através de uma calibração de tensão de saída versus potência de entrada de microondas.
2. Converter a mudança na potência refletida à mobilidade por portadores de carga (ou seja, redimensionar transitória) via:
  
  NOTA: Onde corresponde ao fim do impulso de laser, é a carga de um elétron, é a relação entre as dimensões curtos e longos e da cavidade é o número de fótons absorvidos por cm ² e (Ω) relacionados no microondas refletido power à mudança de ΔG condutância. Este redimensionamento permite a comparação significativa dos transientes TRMC tomadas em diferentes potências laser e comprimentos de onda.
  NOTA: é realmente a mobilidade total de elétrons e buracos. No entanto, não podemos distinguir entre estas contribuições usando TRMC, e, portanto, agrupá-las todas para simplificar.
3. Montar o traço TRMC com um modelo apropriado.
  NOTA: Este é simples, se os dados seguem uma forma exponencial simples ou dupla. No entanto, os dados não têm uma forma simples, pode ser necessário para ajustar os dados a um modelo de cinética, que envolveu a montagem de uma solução ODE (ver Figura 7). A equação / modelo de ajustamento deve ser convolvido com uma função de resposta do instrumento (por exemplo gaussiana centrada em t = t _laser com uma largura que corresponde ao tempo de resposta do instrumento, que limita a resolução temporal dos dados.)

7. Analisar os componentes real e imaginário de Condutividade

Medindo TRMC traça como uma função da freqüência de sonda de microondas
NOTA: Os (complexos) dinâmica de condutividade pode ser desconstruída para o real (condutividade) e (polarização) componentes imaginários, tomando múltipla TRMC traça em freqüências de microondas que medem a curva de ressonância da cavidade carregado.
1. Determinar a frequência de ressonância da cavidade com a amostra no escuro a partir da curva de ressonância da cavidade S21 (ver Figura 6).
2. Escolha x> 20 pontos de freqüência ao longo desta curva de ressonância. Estes pontos vão ser usadas para ajustar a uma função de Lorentz, por isso, é melhor se houver mais pontos perto da frequência de ressonância escuro F _C (ver A Figura 9).
3. Defina o comprimento de onda de excitação em função da dinâmica de polarização de interesse (por exemplo, acima de bandgap para a polarização transportadora livre, sub-bandgap para a polarização de cargas residuais).
4. Definir a potência do laser para máxima (isso vai lhe dar o maior S / N).
5. Medir a potência do laser para fora da fibra. Defina a frequência da sonda de microondas para a frequência de ressonância da cavidade no escuro .
6. Obter um traço TRMC conforme descrito no capítulo 6. Repita a medição descrito acima em uma intensidade do laser fixada para .
Os dados de frequência de pós-processamento: desconstrução em partes reais e imaginárias
1. Plot TRMC poder transitória como um momento função e freqüência de microondas sondaES / ftp_upload / 55232 / 55232eq116.jpg "/>, como mostrado na Figura 8.
2. Enredo e , O poder TRMC em t = 0 e t = a extremidade do impulso de laser, para cada frequência de microondas, como mostrado na Figura 8.
3. Para cada fatia de tempo , Construir uma curva de ressonância .
4. Encaixe esta curva com um Lorentzian para obter a frequência de ressonância E o poder ressonante .
5. Enredo vs para se obter uma histerese do tipo polarplot evolução zação (ver caixa na Figura 8).
6. Calcular a frequência transitória normalizado e mudança de poder transitória via:
7. Traçar a mudança na frequência de ressonância , Mudar no poder de ressonância e alterar no poder transiente na freqüência central da cavidade , Como mostrado na Figura 10.

8. Intensidade Suíte dados dependentes

Sintonize o laser a um comprimento de onda de interesse, conforme determinado no ponto 2.2.5.
Definir a potência do laser para o máximo.
Medir a potência do laser para fora da fibra.
Ligar a fibra para a cavidade.
Obter um único transitória TRMC conforme descrito na seção 6.
Inserir um filtro ND em qualquer lugar entre o laser e a fibra (quer entre duas íris, ou imediatamente antes do acoplador de fibra. Para lasers com uma saída de fibras, o filtro ND deve ser colocada entre a saída da fibra óptica e a porta de cavidade).
Calcular e registrar o número modificado de fótons absorvidos como descrito em 6.1.5.
Obter um único transitória TRMC conforme descrito na seção 6.
NOTA: como a atenuação aumenta, torna-se necessário aumentar o número de médias.
Repetir 8,6-8,8 para tantas combinações de filtros ND conforme necessário.
NOTA: dependências de intensidade são frequentemente observados ao longo de várias ordens de grandeza. O limite de alta potência é definida pela potência máxima de saída do laser em um dado comprimento de onda. O limite de baixa potência é definida pela sensibilidade da instalação de detecção.

9. Wavelength Suíte dados dependentes

NOTA: Em order para comparar transientes TRMC em diferentes comprimentos de onda, o laser tem de ser calibrado em cada comprimento de onda tal que a concentração de portador, em seguida, induzida é constante.

Determinar o comprimento de onda que limita os _portadores máximo alcançável induzida densidade de portadores de carga N. Isto pode ser limitada pela potência de laser disponível nesse comprimento de onda ou pelas propriedades de absorção da amostra. Por exemplo, quando se mede transientes TRMC no comprimento de onda que mede o regime acima, inter e sub-banda proibida, a baixa absorção a comprimentos de onda de sub-bandgap vai limitar a densidade máxima transportadora.
Calcular a potência do laser necessária para gerar este _portadores N de referência de densidade portadora constante em cada comprimento de onda usando:
Sintonizar o laser para o comprimento de onda desejado. Definir a potência do laser para o valor calculado em 9,2. Ligar a fibra para a cavidade. Obter um único transiente TRMC como delineado nosecção 6. Repita o passo 9.3 para cada comprimento de onda de interesse.

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Resultados

Os resultados representativos aqui apresentados foram obtidos a partir de um CH 250 nm ₃ NH ₃ PBI ₃ amostra de película fina.

A dinâmica da condutividade figure-results-1 pode estar relacionada com a dinâmica dos portadores de carga figure-results-2 através da

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Discussão

Embora a técnica TRMC pode oferecer uma riqueza de informações sobre a dinâmica dos transportadores de carga fotoinduzidos, esta é uma medida indireta da condutividade, e, portanto, cuidado deve ser tomado na interpretação dos resultados. A técnica mede TRMC total mobilidade, e não pode ser usado para distinguir entre electrões e mobilidades furo. O pressuposto subjacente que a condutividade é proporcional à mudança na potência refletida detém apenas quando essa mudança é pequena (<5%) ^16. Alé...

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

O agradecimento é feito ao Conselho Australiano de Pesquisa (LE130100146, DP160103008). O JAG é apoiado por um Prêmio Australiano de Pós-Graduação e o DRM por uma ARC Future Fellowship (FT130100214). Agradecemos a Nikos Kopidakis pelas discussões úteis.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Detergente Hellmanex III	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en®ion=AU	Z805939	Corrosivo e tóxico. Veja SDS.
Iodeto de chumbo (II) (99%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en®ion=AU	211168	Tóxico. Veja SDS.
Dimetilformamida anidra (99,8%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en®ion=AU	227056	Tóxico. Veja SDS.
Dimetilsulfóxido anidro (99,9%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en®ion=AU	276855	Tóxico. Veja SDS.
2-propanol anidro (99,5%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en®ion=AU&gclid= COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q	278475
	Dyesol www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html	MS101000	Também vendido pela Sigma Aldrich
Poli(metacrilato de metila)	Sigma Aldrich	445746
Clorobenzeno anidro (99,8%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en®ion=AU	284513	Tóxico. Veja SDS.
Equipment	Company	Model	Comentários/Descrição
Espectrofotômetro UV-VIS-NIR	Perkin-Elmer	Perfilômetro Lambda 900
	Veeco	Dektak 150
Analisador de Rede Vetorial	Keysight www.keysight.com/en/pdx-x201927-pn-N9918A/fieldfox-handheld-microwave-analyzer-265-ghz?cc=US&lc=eng	Fieldfox N9918A
Laser de comprimento de onda ajustável	Opotek www.opotek.com/product/opolette-355	Opolette 355
Filtros de densidade neutra	Thorlabs www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193	NUK01
Medidor de potência	Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D	PM100D
Sensor de potência	Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C	S401C
Cavidade	Construído sob medida		A cavidade usada para este experimento foi projetada e construída internamente.

Referências

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Reimpressões e permissões

Etiquetas

Fotovoltaicos de Filmes Finos Dinâmica de Portadores de Carga Materiais de Perovskita Recombinação Mediada por Armadilhas Cavidade de Micro-ondas Calibração a Laser Condutividade Complexa Medições de Fotoluminescência

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