Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Рекомбинация Динамика в тонкопленочных фотоэлектрических материалов с помощью времяразрешенные СВЧ проводимости

11.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55232

⸱

6 марта 2017 г.

 ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь представлен метод микроволновой проводимости с временным разрешением для исследования прямой и опосредованной ловушками динамики рекомбинации и определения подвижности носителей тонкопленочных полупроводников.

Аннотация

Метод для исследования динамики рекомбинации фотоиндуцированных носителей заряда в тонких полупроводниковых пленок, в частности в фотогальванических материалов, таких как органо-свинцово-галоидных перовскитов представлен. Перовскита толщина пленки и коэффициент поглощения первоначально характеризуется профилометрией и UV-VIS-абсорбционной спектроскопии. Калибровка и мощности лазерного излучения и резонатора чувствительность описана подробно. Протокол для выполнения флэш-фотолиза Время экспериментов Решенный СВЧ проводимости (TRMC), метод бесконтактного определения проводимости материала, представлен. Способ идентификации действительных и мнимых компонентов комплексной проводимости путем выполнения TRMC в зависимости от частоты СВЧ дается. динамика носителей заряда определяются при различных режимах возбуждения (в том числе как мощности и длины волны). Методы разграничения между прямыми и улавливать опосредованной процессов распада представлены и обсуждены.Результаты моделируются и интерпретируются со ссылкой на общей кинетической модели фотоиндуцированных носителей заряда в полупроводнике. Методики, описанные применимы к широкому спектру оптоэлектронных материалов, в том числе органические и неорганические фотогальванических материалов, наночастиц, а также проведение / полупроводящего тонких пленок.

Введение

Флэш-фотолиз с временным разрешением СВЧ проводимости (FP-TRMC) отслеживает динамику фотовозбужденных носителей заряда на нс-мкс масштабе времени, что делает его идеальным инструментом для исследования процессов рекомбинации носителей заряда. Понимание механизмов распада фотоиндуцированных носителей заряда в тонких полупроводниковых пленок имеет ключевое значение в ряде приложений, включая оптимизацию фотоэлектрического устройства. Индуцированные времена жизни носителей зачастую являются функциями от наведенной плотности носителей, длины волны возбуждения, подвижности, плотности ловушек и скорость захвата. Эта статья демонстрирует универсальность техники Time Resolved СВЧ проводимости (TRMC) для исследования широкого спектра носителей динамических зависимостей (интенсивность, длина волны, СВЧ) и их интерпретации.

Фотогенерированных заряды могут изменить как для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости материала, в зависимости от их мобильности и degre е удержания / локализации 1. Проводимость материала figure-introduction-1 пропорциональна его комплексной диэлектрической проницаемости

figure-introduction-2

где figure-introduction-3 частота электрического поля СВЧ, figure-introduction-4 а также figure-introduction-5 действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости. Таким образом, реальная часть проводимости связана с мнимой частью диэлектрической проницаемости, и могут быть отображены на СВЧ поглощения, а мнимая часть проводимости (в дальнейшем именуемой поляризации) связано с переходом в резонансной частоте СВЧ поля 1.

т "> TRMC имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Например, измерения фотопроводимости DC страдают от целого ряда осложнений, возникающих от контакта материала с электродами. Enhanced рекомбинации на границе раздела электрод / материала, обратно инъекции зарядов через этот интерфейс, а также как повышенная диссоциации экситонов и геминальных пар за счет приложенного напряжения 2 все это может привести к искажениям в измеренных подвижностей носителей и жизни. в противоположность этому , TRMC представляет собой метод безэлектродного который измеряет внутреннюю подвижность носителей без искажений из - за переноса заряда через контакты ,

Существенным преимуществом использования микроволновой мощности в качестве зонда для динамики носителей является то, что, а также наблюдение за время жизни распада носителей заряда, механизмов распада / пути могут также быть исследованы.

TRMC могут быть использованы для определения общей подвижности 3 и жизнь4 Время индуцированных носителей заряда. Эти параметры могут быть затем использованы для различения между прямыми и TRAP-опосредованной механизмов рекомбинации 3, 5. Зависимость этих двух отдельных путей распада могут быть количественно проанализированы в зависимости от концентрации носителей 3, 5 и энергии возбуждения / длина волны 5. Локализация / удержание индуцированных носителей может быть исследована путем сравнения распад проводимости против поляризуемости 5 (воображаемой против действительной части диэлектрической проницаемости).

Кроме того, и, возможно, самое главное, TRMC могут быть использованы для характеристики состояния ловушки, которые действуют как пути распада носителей заряда. Поверхностные ловушки, например, можно отличить от объемных ловушек путем сравнения хроматированные против непассивированных образцов 6. Sub зонный состояний можетбыть непосредственно исследованы с помощью энергии возбуждения к югу от ширины запрещенной зоны 5. Плотность ловушек может быть выведена путем подгонки данных TRMC 7.

Благодаря универсальности этой техники, TRMC был применен для изучения широкого спектра материалов , в том числе: традиционные тонких полупроводниковых пленок , таких как кремний 6, 8 и TiO 2 9, 10, наночастицы 11, нанотрубками 1, органические полупроводники 12, материал смеси 13, 14, и гибридные фотогальванические материалы 3, 4, 5.

Для того, чтобы получить количественную информацию, используя TRMC, крайне важно, чтобы иметь возможность точно определить количествопоглощенных фотонов для данного оптического возбуждения. Поскольку методы количественной оценки поглощения тонких пленок, наночастиц, растворов и непрозрачных образцов различаются, методы подготовки и калибровки образца, представленные здесь, предназначены специально для тонких пленочных образцов. Тем не менее, протокол измерения TRMC представлены носит весьма общий характер.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка образцов

Внимание: Некоторые химические вещества, используемые в настоящем протоколе могут быть опасны для здоровья. Пожалуйста, обратитесь все соответствующие паспорта безопасности материала, прежде чем происходит какой-либо подготовки образца. Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты (халатах, защитные очки, перчатки и т.д.) и технические средства контроля (например , перчаточный бокс, вытяжной шкаф и т.д.) при обращении с перовскита предшественников, и растворители.

Примечание: Целью данного раздела является сформировать равномерную толщину тонкой пленки на подложке. В то время как эта процедура является специфичным для органо-свинцового галогенида перовскита образца, он может быть модифицирован для ряда образцов и способы подготовки образцов , включая осаждение из паровой фазы, покрытия центрифугированием и напыление и т.д. Важным результатом является однородной тонкой пленки.

  1. Очистка подложки
    1. Поместите кварц (или стекло с низким железо) субстрат в ультразвуковой ваннемоющего средства в течение 30 мин.
    2. Повторите ультразвуковую обработку сверхчистой водой и затем изопропиловым спиртом.
    3. Положите вымытую субстратов при плазму азота в течение 30 мин непосредственно перед началом передачи в перчаточной камере азота.
  2. CH 3 NH 3 PbI 3 перовскита подготовки образца с использованием метода интердиффузии 15
    Примечание: следующие шаги выполняются в перчаточном боксе азота.
    1. Добавить 461 мг PbI 2 в пробирку, и передать в бардачке азота.
    2. Добавить 850 мкл безводного диметилформамида (ДМФ) в 150 мкл безводного диметилсульфоксида (ДМСО), чтобы из смеси 85:15 ДМФ / DMSO растворителем.
    3. Добавьте PBI 2 в ДМФ / ДМСО растворителя и нагревают смесь при температуре 100 ° С при перемешивании магнитной мешалкой до тех пор , PbI 2 полностью не растворится.
    4. Фильтр решение PbI 2 через ПТФЭ 0,2 мкмфильтр в пробирку чистой пробы и возврата к 100 ° C плитке.
    5. Растворите 50 мг CH 3 NH 3 I в 50 мл безводного изопропанола.
    6. Распределить 80 мкл горячего раствора PbI 2 на стеклянную подложку (при комнатной температуре) и немедленно вращаются со скоростью 5000 оборотов в минуту в течение 30 секунд , чтобы сформировать тонкую PbI 2 - предшественника пленки.
    7. Вводят объемом 300 мкл CH 3 NH 3 I раствор непосредственно на середину пленки PbI 2, и сразу закрутить пальто этот раствор при 5000 оборотах в минуту в течение 30 с.
      Примечание: Этот шаг следует проводить с одним уверенным раздаточным раствора CH 3 NH 3 I. Будьте осторожны, чтобы избежать непреднамеренных капает, так как это влияет на качество получаемой пленки.
    8. Поместите образец на плитке при 100 ° С в течение 2 ч, так что пленка предшественник кристаллизуется в структуру перовскита. Полученный CH 3 NH 3 PbI 3 пленка должна быть SMO, с др зеркальной поверхностью и примерно 250 нм.
  3. Пример инкапсуляция
    Примечание: этот шаг необходим только для образцов, которые страдают от деградации атмосферы.
    1. Растворите 10 мг поли (метилметакрилат) (ПММА) в 1 мл безводного хлорбензола. Спин пальто образца с 50 мкл раствора ПММА при 1000 оборотов в минуту в течение 30 с.

2. Характеристика образца

  1. Толщина образца измерения
    1. Etch небольшую линию на образце компаньона. Сканирование поверхности вблизи этого травлением с использованием профилометра. Определения толщины пленки L.
      Примечание: Образец следует хранить в светлом свободном виде (например , покрытый алюминиевой фольгой) бескислородной (например , азота) среда до готовности к использованию.
  2. Измерьте спектр поглощения
    Примечание: Детали этого измерения варьируются в зависимости от образца (например , порошки против орAque пленки против полупрозрачных пленок). Следующая процедура предназначена для полупрозрачных тонких пленочных образцов. Целью данного раздела является определение длины волн , представляющие интерес для исследования (например , определить ширину запрещенной зоны, экситонические функции и т.д.), а также для расчета F а, доля поглощенных фотонов против падающих фотонов на каждой длине волны , представляющей интерес.
    1. Поместите образец подложки (например , предметное стекло) в держателе образца соответствующего спектрофотометра. Запись фоне отражательной способности (R (λ)) и коэффициент пропускания (T (λ)) спектров в соответствии с инструкциями изготовителя. Примечание: стандартный коэффициент отражения , такие как BaO 4 также может быть использован для получения точной базы данных .
    2. Заменить подложку с образцом и записывают коэффициент отражения (R (λ)) и коэффициент пропускания (T (X)) в соответствии с инструкциями изготовителя. Вычтите измерение фона, чтобы получить точные спектры.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для непрозрачных образцов, аpectrophotometer с интегрирующей сферой крепления должны быть использованы. Диффузного отражения определяется как в разделе 2.2.1-2, однако образец должен быть помещен в в задней части интегрирующей сферы, в соответствии с инструкциями изготовителя.
    3. Вычислить коэффициент поглощения с помощью:
      figure-protocol-1
      ПРИМЕЧАНИЕ: Где, d толщина пленки в сантиметрах.
    4. Подсчитать количество поглощенного против падающих фотонов через
      figure-protocol-2
      Примечание: Убедитесь, что коэффициент поглощения и толщина образца L имеют те же единицы.
    5. Определить длины волн интереса со стороны спектра поглощения осмотром. Они могут включать в себя оптические переходы или длины волн на краю полосы или в полосе хвоста. Обратите внимание на F A на каждой из этих длин волн.
      Примечание: Следующие процессы калибровки должны выполняться непосредственно перед экспериментом,

3. Калибровка Мощность лазера

Примечание: В этом разделе, относятся к оптической схеме возбуждения на рисунке 3. Перестраиваемой длиной волны лазера, как ОПГ требуют сцепления на каждой длине волны.

  1. Пара в свободном пространстве лазера в волокно
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если имеется лазер уже в оптическое волокно, пропустите этот раздел.
    Примечание: Внеосевое ответвители параболическое зеркало волоконные ахроматический, что означает, что все длины волн падающего на зеркало, ориентированы на точки отбора пробы. В результате волокно может быть соединено с свободного пространства лазера на одной длине волны, и не требует корректировки на каждой длине волны. Этот шаг должен быть сделан до того выполняются какие-либо другие измерения
    Примечание: Можно спроектировать полость TRMC и оптическую установку с использованием свободного пространства лазера, хотя точно и воспроизводимо, характеризующий поглощенную мощность лазера может быть несколько сложнее.
    1. Установите длины падающей волны до требуемого значения (например , 750 нм) в соответствии с протоколом производителя. Для фиксированных длин волн лазеров, этот шаг является ненужным.
    2. Проверьте профиль лазерного луча на наличие видимых поперечных балок. Если они существуют, использовать ирисы, чтобы позволить только центральный гауссов пучок перейти к волоконный ответвитель.
    3. Выравнивание внеосевым параболического зеркала волоконный ответвитель таким образом, чтобы падающий лазерный луч совмещен с оптической осью зеркала.
    4. Подключение оптического волокна к волоконный ответвитель и датчик мощности. Чем больше сердцевины волокна, тем больше света может быть соединен в волокно. A 1 мм сердечник NA 0,48 волокна эффективно работает.
    5. Максимизация волокна сцепление при малой мощности путем контроля выходной мощности волокна с датчиком мощности во время регулировки угла наклона и угла волоконный ответвитель. Оптимальное сцепление достигается , когда мощность , измеренная датчиком максимизируется (т.е. любые корректировки результата угла наклона волоконный ответвитель в ИоWER измерения мощности)
      Примечание: Если выравнивание плохое, то можно повредить внешнюю оболочку волокна. Тикающий звук указывает на то, что отверстие сжигается в оболочке. В этом случае немедленно выключите лазер и выполнить грубое выравнивание муфты при малой мощности.
    6. Постепенно увеличивать мощность лазера и уточнить муфту, как и в пункте 3.1.5.
  2. Измерение коэффициента потерь резонатора
    Примечание: В этом разделе должны быть выполнены после процедуры волокна соединительной описанной в разделе 3.1.
    1. Измерение мощности, передаваемой по волокну с помощью соответствующего датчика мощности. Это измерение выполняется перед подключением волокна в полость.
    2. Измерьте мощность на образце. Это проще всего , если полость состоит из 4 -х четвертьволновой пластин , соединенные винтами (смотри рисунок 4). Для того, чтобы сделать это точно и воспроизводимо, отвинтить полость, поместите маску размер держателя образца в образцеположение и измерить мощность лазера, достигающих детектора через маску.
    3. Рассчитывают коэффициент потерь резонатора путем деления мощности лазера, измеренное на волокно мощности, измеренной в образце. Это измерение учитывает геометрических потерь, а также потерь из-за диффузных компонентов в установке.
    4. Повторите это измерение для каждой длины волны интереса.

4. Установка образца в полость

  1. Поместите образец в держателе образца, тефлон, проектируют таким образом, что образец центрируют в полости после вставки.
  2. Вставьте держатель образца в полость в месте максимального электрического поля, с тонкой пленкой, обращенной к оптическим входом полости. На рисунке 4 показана подробная схема держателя полости и образца.

5. Полость Чувствительность Калибровка 14

Примечание: Избыточный фото генерируется зарядперевозчики приводят к изменению проводимости образца figure-protocol-3 (См -1) , что приводит к уменьшению СВЧ мощности , отраженной от полости figure-protocol-4 , Для небольших изменений в проводимости 17, то изменение мощности СВЧ пропорциональна изменению проводимости через коэффициент чувствительности полости figure-protocol-5 :
figure-protocol-6
Изменение проводимости figure-protocol-7 образца связано с изменением объемной проводимости figure-protocol-8 с помощью figure-protocol-9
Примечание: Эта калибровка необходима для преобразования СВЧ мощности для подвижности носителей заряда. Если цельюисследования состоит в том, чтобы сравнить динамику или получить относительные результаты, эта калибровка не требуется.
Примечание: В этом разделе, относятся к установке обнаружения СВЧ на рисунке 5.

  1. Подключите порт 1 сетевого анализатора к циркулятор входной порт 1. Подключите порт 2 сетевого анализатора до точки в цепи непосредственно перед обнаружением (например , к выходу диода обнаружения или IQ детектор модуляции). Измерения мощности , отраженной от загруженной полости (т.е. с образцом , вставленного) в виде 2-порта измерения S21, чтобы получить резонансной кривой контура. 14
    Примечание: Если полость не была согласована с внешней схемой детектирования СВЧ, резонансная кривая будет отличаться для автономной полости против полости в цепи. Таким образом, лучше измерить резонанс не как измерение отражения одного порта из полости, а как 2-порт 'отражение' измерения Четтельное циркуляционный.
    ПРИМЕЧАНИЕ: резонансная частота в основном определяется геометрией резонатора используется. Типичные резонансные частоты для TRMC находятся в Х-диапазоне (~ 10 ГГц) и Q-диапазона (~ 34 ГГц), хотя любая частота СВЧ может в принципе быть использован. В этой рукописи, мы используем полость с резонансной частотой ~ 6,5 ГГц, что обеспечивает аналогичный микроволновом отклике то же время обеспечивая больший выборочное пространство по сравнению с полостью Х-диапазона.
  2. Оптимизация коэффициента качества, figure-protocol-10 , Полости с помощью винта настройки путем наблюдения резонансного провала становятся более глубокими и более узким.
    Примечание: Оптимизация коэффициента Q не обязательно означает максимизацию Q. При увеличении коэффициента Q повышает чувствительность, время отклика полости figure-protocol-11 также увеличивается. Может быть предпочтительным, чтобы уменьшить чувствительность, чтобы получить более высокое временное разрешение. Если фотоиндуцированных носители заряда существенно изменить диэлектрическую проницаемость материала, резонансная частота может также временно сдвиг за пределами полосы пропускания резонатора, если Q велико, что приводит к искажению измерений мощности. В этих случаях, слегка overcoupling резонатор может повысить точность отраженной мощности.
  3. Измерьте и запишите оптимизированный для резонансной кривой с помощью анализатора сети, как описано в разделе 5.1.1.
  4. Участок P отражение P / инцидент в линейном масштабе и соответствовать базовой исправленный фигуру с лоренцевом формы линии, как показано на рисунке 6.
  5. Вычислить загруженную коэффициент качества figure-protocol-12 , с помощью:
    figure-protocol-13
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если figure-protocol-14 это полная ширина на половине максимума (FWHM) резонансной кривой ивания "SRC =" / файлы / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> резонансная частота.
  6. Расчет коэффициента чувствительности резонатора (Ω см) полости через трубопровод 14:
    figure-protocol-15
    где figure-protocol-16 это отношение отраженного к падающей мощности на резонансной частоте, figure-protocol-17 загруженное резонансная частота, figure-protocol-18 резонансная частота, figure-protocol-19 диэлектрическая проницаемость материала на резонансной частоте, figure-protocol-20 является диэлектрическая проницаемость свободного пространства (F / см).
    Примечание: Эта формула предполагает, что образец заполняет всю полость.
  7. Исправьте коэффициент чувствительности для образца геометру:
    Следующие корректирующие коэффициенты применяются для тонкого образца пленки размером [ш × ш × L], (L << d), с центром в полости при г 0 = d / 4 (т.е. при максимальном электрическом поле). Здесь L ì толщина образца (см), а и б представляют собой длинные и короткие стороны прямоугольной полости соответственно и d длина резонатора (см). Геометрия корректируется коэффициент чувствительности Ã определяется по формуле:
    figure-protocol-21
    где С г, С ху являются поправочные коэффициенты из - за неполного заполнения пространства полости вдоль г и х - направлении, определяется по формуле:
    figure-protocol-22
    figure-protocol-23

6. Процедура TRMC Single Переходные измерения

  1. Определить оптимальные параметры измерения: вручную найти сигнал
    Примечание: Мольбасе относятся к экспериментальной схеме , представленной на рисунке 2 перед чтением следующие разделы протокола.
    Примечание: настройка схемы обнаружения СВЧ можно сделать либо вручную, либо с помощью соответствующего программного обеспечения. Как правило, для каждой новой выборки, параметры измерения (например, резонансная частота, СВЧ-мощности, положение триггера и временной базы) неизвестны и должны быть скорректированы, чтобы идентифицировать / оптимизировать сигнал. Обычно это делается вручную. После того, как сигнал был идентифицирован, параметры измерения затем вводятся в MATLAB (или другой) скрипт, используемый для автоматизации процесса измерения.
    1. Настройте лазер с длиной волны интереса, как это определено в разделе 2.2.5.
    2. Если лазер имеет регулируемый уровень мощности установите выходную мощность на максимум, в соответствии с инструкциями изготовителя. (Это может включать в себя ручной регулировки ручки питания, или может быть сделано с помощью программного обеспечения в зависимости от лазера).
    3. Подключение (ужев сочетании) оптическое волокно с датчиком мощности, и измерения мощности лазера, прошедшего через волокна с помощью измерителя мощности. Волокно не подключен к полости на данном этапе.
      Примечание: Для очень коротких импульсных лазеров, это часто лучше всего сделать с помощью теплового (средней мощности) датчиков, а не диодных датчиков, которые могут претерпевать временную насыщенность или даже пробою диэлектрика при очень высоких мощностях.
    4. Использование нейтральной плотности (ND) фильтры для ослабления мощности лазера до требуемого уровня мощности.
      Примечание: можно установить мощность на более низком уровне, а не использовать фильтры, но более точное значение мощности может быть получена путем измерения высокой мощности, то ослабляя.
    5. Вычислить N тел, число поглощаемых фотонов / см 2 / импульс при этом интенсивности возбуждения через:
      figure-protocol-24
      figure-protocol-25
    6. Подключите волокно к полости.
    7. Настройка схемы обнаружения , как показано на рисунке 5.
      ПРИМЕЧАНИЕ: векторный анализатор сети был использован для выполнения этих измерений; Тем не менее, можно использовать альтернативную настройку детектора микроволнового, например, с использованием СВЧ-диод в качестве датчика мощности.
    8. Установите частоту СВЧ-источника к резонансной частоте нагруженного резонатора, как измерено в разделе 5. Для нашей установки с помощью анализатора сети, это предполагает что позволяет непрерывный выходной частоты и ручного ввода частоты выходного микроволн.
    9. Установите СВЧ мощности до 0 дБм.
    10. Триггер сетевой анализатор (или альтернативный детектор) с помощью лазера. Определить смещение триггера необходимо, чтобы захватить подъем сигнала с несколькими микросекунды "темного" сигнала до того, как лазерный импульс, чтобы использовать в качестве основы для примерки. Установка смещение триггера 1/10 длины сигнала хорошо работает (например , если сигнал имеет длину 100 мкс, то baseliтриггер пе должен быть сдвинуты на 10 мкс). Это предполагает изменение режима запуска на "внешний", и регулируя смещение триггера, пока сигнал не будет найден.
    11. Отрегулируйте развертку анализатора сети (или альтернативного детектора) такой, что переходный хвост гораздо длиннее, что начального спада. Часто, есть длинный хвост, который сохраняется даже тогда, когда он появляется (в линейном масштабе), что сигнал распались до минимального уровня шума.
      Примечание: Для того, чтобы определить, является ли развертка используется достаточно долго, записать усредненную TRMC переходный, а затем построить на логарифмическом масштабе.
  2. Мера сырой переходный
    Примечание: Как правило, при получении наборы данных TRMC, процесс измерения автоматизирован путем взаимодействия с источником СВЧ-излучения и детектора. В этой статье, самодельный MATLAB сценарий был использован для установки мощности СВЧ (частота и мощность), а также для настройки сбора данных измерения (измерение времени базы, смещение триггера, число OF в среднем).
    1. Если измерения автоматизирован, ввод частоты СВЧ-излучения и мощности, а также триггер сбора и измерения смещения временной базы, которые были определены в разделе выше в сценарий эксперимента.
    2. В то время как непрерывно пульсирует лазер, измерения и записи переходных процессов распада TRMC на сетевой анализатор (или альтернативного детектора). Средние по крайней мере 100 следов (даже если S / N является очень высоким показателем с одним измерением выстрела) для компенсации выстрела к выстрелу вариаций мощности в импульсном лазере. Если измерения автоматизирован, это делается путем выполнения сценария эксперимента.
      Примечание: Усреднение может потребоваться для получения достаточного сигнала к шуму, особенно для образцов с длинными хвостами малыми затухания амплитуды таких , как показано на рисунке 7.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Перевернутый Переходные процессы или переходные процессы с положительным и отрицательным "долей", может свидетельствовать о том, что частота СВЧ не на резонансной частоте резонатора. Отрегулируйте Sчастота сходный код до переходного сигнала максимальна.
    3. Отсоедините волокно от полости и колпачок оптический порт. Возьмите фон для чтения с тем же числом, что и в среднем на предыдущем этапе, с образцом все еще в резонаторе, но больше не горит.
    4. Вычтите фоновый след от следа сигнала.
  3. Процесс исходных данных в подвижности носителей заряда в
    1. Рассчитайте изменение отраженной мощности с помощью
      figure-protocol-26
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если figure-protocol-27 это базовое значение исходного переходного процесса (до освещения) и figure-protocol-28 является исходным переходная данных.
      Примечание: Если детектор измеряет напряжение не мощности (например , диодный + осциллографов), то коэффициент масштабирования должен быть включен. Коэффициент масштабирования обычно цитирует гМООД производитель; в противном случае оно может быть получено путем выполнения калибровки выходного напряжения против входной мощности СВЧ.
      figure-protocol-29
    2. Преобразовать изменение в отраженной мощности к подвижности носителей заряда на (т.е. отмасштабировать переходный процесс ) с помощью:
      figure-protocol-30
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если figure-protocol-31 соответствует концу лазерного импульса, figure-protocol-32 это заряд электрона, figure-protocol-33 это соотношение между короткими и длинными размерами полости и figure-protocol-34 это число поглощенных фотонов на см 2 и figure-protocol-35 (Ω), связанные с отраженной СВЧ рАуэр к изменению проводимости ΔG. Это перемасштабирования позволяет значимого сравнения TRMC переходных процессов, принимаемых на различных лазерных сил и длин волн.
      ЗАМЕТКА: figure-protocol-36 на самом деле общая подвижность электронов и дырок. Тем не менее, мы не можем различать эти вклады, используя TRMC, и поэтому мы сваливать их вместе для простоты.
    3. Установить след TRMC с соответствующей моделью.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это просто, если данные следует одинарную или двойную экспоненциальную форму. Тем не менее, данные имеет простую форму, может оказаться необходимым , чтобы соответствовать данным кинетической модели, вовлеченного фитинг решение ОДУ (см рисунок 7). Фитинг уравнение / модель должна быть свернут с функцией отклика прибора (например , гауссовым с центром в точке Т = Т лазера с шириной , соответствующей времени отклика прибора , который ограничивает временное разрешение данных.)

7. Исследование действительных и мнимых компонентов проводимости

  1. Измерение TRMC следов в зависимости от частоты СВЧ зонда
    Примечание: (комплекс) динамика проводимости может быть разложено на реальной (проводимость) и мнимая (поляризация) компоненты, выполнив несколько TRMC следов на сверхвысоких частотах, охватывающих резонансной кривой загруженном полости.
    1. Определение резонансной частоты figure-protocol-37 полости с пробой в темноте от S21 полости резонансной кривой (рисунок 6).
    2. Выберите х> 20 частотных точек figure-protocol-38 вдоль этой резонансной кривой. Эти точки будут использоваться , чтобы соответствовать лоренцеву функции, так что лучше , если есть больше очков , близкие к темной резонансной частоте F C (см Рисунок 9).
    3. Установить длины волны возбуждения в зависимости от динамики поляризации интерес (например , выше запрещенной зоны для свободной поляризации носителей, к югу от ширины запрещенной зоны для запертых поляризации заряда).
    4. Установите мощность лазера на максимум (это даст самый высокий S / N).
    5. Измерение мощности лазерного излучения из волокна. Установите частоту зонда микроволновой резонансной частоты резонатора в темноте figure-protocol-39 ,
    6. Получить след TRMC, как описано в разделе 6. Повторите измерения, описанный выше, при фиксированной интенсивности лазерного для figure-protocol-40 ,
  2. Частота данных постобработки: деконструкция в реальной и мнимой частей
    1. Участок TRMC пиковая мощность figure-protocol-41 как функция времени и частоты СВЧ зондаэс / ftp_upload / 55232 / 55232eq116.jpg "/>, как показано на рисунке 8.
    2. участок figure-protocol-42 а также figure-protocol-43 , Мощность TRMC при Т = 0 и при Т = конец лазерного импульса для каждого СВЧ, как показано на рисунке 8.
    3. Для каждого среза во времени figure-protocol-44 , Построить резонансную кривую figure-protocol-45 ,
    4. Установить эту кривую с лоренцианом для получения резонансной частоты figure-protocol-46 , А резонансная мощность figure-protocol-47 ,
    5. участок figure-protocol-48 против figure-protocol-49 для получения гистерезиса, как полярныйэволюция зация участка (см вставку на рисунке 8).
    6. Вычислить нормированную переходную частоту и пиковая мощность сдвига с помощью:
      figure-protocol-50
      figure-protocol-51
    7. Участок изменение резонансной частоты figure-protocol-52 , Изменение резонансной мощности figure-protocol-53 и изменения в переходных мощности на центральной частоте резонатора figure-protocol-54 , Как показано на рисунке 10.

8. Интенсивность Люкс зависит от данных

  1. Настройте лазер с длиной волны интереса, как это определено в разделе 2.2.5.
  2. Установите мощность лазера на максимум.
  3. Измерение мощности лазерного излучения из волокна.
  4. Подключите волокно к полости.
  5. Получить одну TRMC преходящее, как описано в разделе 6.
  6. Вставьте фильтр нейтральной плотности в любом месте между лазером и волокном (либо между двумя ирисов, или непосредственно перед волоконного ответвителя. Для лазеров с волоконным выходом, фильтр нейтральной плотности должен быть размещен между выходом волокна и оптический порт полости).
  7. Вычислить и записать модифицированное число поглощенных фотонов, как описано в разделе 6.1.5.
  8. Получить одну TRMC преходящее, как описано в разделе 6.
    Примечание: в качестве увеличивает затухание, то станет необходимо увеличить количество средних значений.
  9. Повторите 8.6-8.8 столько комбинаций фильтров ND по мере необходимости.
    Примечание: Зависимости интенсивности часто наблюдаются в течение нескольких порядков. Предел высокой мощности устанавливается максимальной выходной мощности лазера при данной длине волны. Предел малой мощности устанавливается чувствительность установки обнаружения.

9. Длина волны люкс зависит от данных

Примечание: В Ordэр сравнить TRMC Переходные процессы при различных длинах волн, то лазер должен быть откалиброван на каждой длине волны таким образом, что тогда индуцированный концентрация носителей постоянна.

  1. Определить длину волны , которая ограничивает максимально достижимая плотность наведенного носителей заряда N носителей. Это может быть ограничен лазерными мощность на этой длине волны или свойствами поглощения образца. Например, при измерении TRMC переходных процессов при длине волны, охватывающих выше, среди и суб-режима запрещенной зоны, низкое поглощение на суб немаг- длин волн будет ограничивать максимальную плотность носителей.
  2. Расчет мощности лазера , необходимой для создания этой константы N несущих ссылка плотность носителей на каждой длине волны с помощью:
    figure-protocol-55
  3. Настройка лазера на нужную длину волны. Установите мощность лазера к значению, рассчитанному в 9.2. Подключите волокно к полости. Получить одну TRMC преходящее, как указано вРаздел 6. Повторите шаг 9.3 для каждой длины волны интереса.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Представительные результаты , представленные здесь , были получены от 250 нм CH 3 NH 3 PbI 3 тонкой пленки образца.

Динамика проводимости figure-results-1 может быть связано с динамикой носителей заряда figure-results-2 с помощью

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В то время как метод TRMC может предложить огромное количество информации о фотоиндуцированными динамики носителей заряда, это косвенное измерение проводимости, и, следовательно, все равно должны быть приняты при интерпретации результатов. Методика TRMC измеряет общую подвижность, и не может быть использован, чтобы различать между электронов и дырок. Основное предположение , что проводимость пропорциональна изменению мощности отраженного сигнала имеет место только тогда , когда это изменение мало (<5%)

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Благодарность сделана Австралийскому исследовательскому совету (LE130100146, DP160103008). JAG получает австралийскую премию для аспирантов, а DRM — стипендию ARC Future Fellowship (FT130100214). Мы благодарим Никоса Копидакиса за полезные обсуждения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Моющее средство Hellmanex IIISigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en®ion=AU		Z805939коррозионным и токсичным. Смотрите паспорт безопасности.
Йодид свинца(II) (99%)Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en®ion=AU		211168токсичен. Смотрите паспорт безопасности.
Безводный диметилформамид (99,8%)Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en®ion=AU		227056токсичен. Смотрите паспорт безопасности.
Безводный диметилсульфоксид (99,9%)Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en®ion=AU		276855токсичен. Смотрите паспорт безопасности.
Безводный 2-пропанол (99,5%)Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en®ion=AU&gclid=
COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q		278475
Метиламмония йодидDyesol
www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html MS101000		Также продается Sigma Aldrich
Poly(метилметакрилат)Sigma Aldrich445746
безводный хлорбензол (99,8%)Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en®ion=AU		284513токсичным. Смотрите паспорт безопасности.
Equipment<strong>CompanyModel>Комментарии/Описание
UV-VIS-NIR спектрофотометрPerkin-Elmer Лямбда 900
ПрофилометрVeecoDektak 150
Векторный анализатор цепейKeysight
www.keysight.com/en/pdx-x201927-pn-N9918A/fieldfox-handheld-microwave-analyzer-265-ghz?cc=US&lc=eng		Fieldfox N9918A
Настраиваемый лазер с перестраиваемой длиной волныOpotek
www.opotek.com/product/opolette-355		Opolette 355
Фильтры нейтральной плотностиThorlabs
www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193		NUK01
Измеритель мощностиThorlabs
www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D		PM100D
Датчик мощностиThorlabs
www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C		S401C
CavityCustom BuiltПолость, использованная для этого эксперимента, была спроектирована и изготовлена собственными силами.

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Тонкопленочная фотовольтаикадинамика носителей зарядаперовскитные материалырекомбинация через ловушкимикроволновый резонаторлазерная калибровкакомплексная проводимостьизмерения фотолюминесценции
Рекомбинация Динамика в тонкопленочных фотоэлектрических материалов с помощью времяразрешенные СВЧ проводимости
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.