Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

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

Published: March 6, 2017 doi: 10.3791/55232
Automatic Translation
1,2, 3, 4, 1,2
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

Abstract

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.

Introduction

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 משוואה הוא יחסי קבוע דיאלקטרי המורכב שלה

משוואה

איפה משוואה התדירות היא של שדה חשמלי ומיקרוגל, משוואה ו משוואה 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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:
      משוואה
      הערה: איפה, d הוא העובי של הסרט בסנטימטר.
    4. לחשב את מספר נספג vs פוטוני אירוע באמצעות
      משוואה
      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 משוואה (SM -1) שתוצאתה ירידה בכוחה המיקרוגל משתקפת המחלל משוואה . עבור שינויים קטנים מוליך 17, השינוי בשלטון מיקרוגל פרופורציונלי לשינוי במוליכות באמצעות גורם רגיש חלל משוואה :
משוואה
השינוי מוליך משוואה המדגם קשור שינוי המוליכות בתפזורת משוואה בְּאֶמצָעוּת משוואה
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, משוואה , 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 משוואה 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 משוואה , באמצעות:
    משוואה
    הערה: איפה משוואה 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:
    משוואה
    איפה משוואה היחס בין משתקף לשלטון אירוע הוא בתדר התהודה, משוואה הוא תדר התהודה הטעון, משוואה הוא תדר התהודה, משוואה דיאלקטרי הקבוע של החומר הוא בתדר התהודה, משוואה 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:
    משוואה
    כאשר C z, C xy הם הגורמים התיקון עקב מילוי שלם של מרחב החלל לאורך z וכיוון XY, נתון על ידי:
    משוואה
    משוואה

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:
      משוואה
      משוואה
    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
      משוואה
      הערה: איפה משוואה הוא ערך הבסיס של חולף הגלם (לפני התאורה) ו משוואה 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.
      משוואה
    2. המרת השינוי בשלטון משתקף לניידות לכל נושאי מטען (כלומר rescale חולף) באמצעות:
      משוואה
      הערה: איפה משוואה תואם את סוף דופק הליזר, משוואה החיוב הוא של אלקטרון, משוואה היחס הוא בין הממדים הקצרים וארוכים של החלל משוואה מספר הנספגים פוטונים לס"מ 2 ו משוואה (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: משוואה 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.) </ Li>

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 משוואה של החלל עם המדגם בחושך מעקום תהודת חלל S21 (ראה איור 6).
    2. בחר x> 20 נקודות תדר משוואה 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 משוואה .
    6. השג שמץ TRMC כמפורט בסעיף 6. חזרו על המדידה המתוארת לעיל בעצימות ליזר קבועות משוואה .
  2. נתונים תדר שלאחר עיבוד: דקונסטרוקציה לחלקים אמיתיים ומדומים
    1. מגרש כוח חולף TRMC משוואה כתקופת פונקציה ותדירות מיקרוגל חלליתes / ftp_upload / 55,232 / 55232eq116.jpg "/>, כפי שמוצג באיור 8.
    2. עלילה משוואה ו משוואה , הכוח TRMC בזמן t = 0 ו t = סוף הדופק לייזר עבור כל תדר מיקרוגל, כפי שמוצג באיור 8.
    3. עבור כל פרוסה בזמן משוואה , לבנות עקומת תהודה משוואה .
    4. העקומה הזו עם הלורנצי להשיג את תדר התהודה משוואה , וכוח התהודה משוואה .
    5. עלילה משוואה לעומת משוואה להשיג היסטרזיס דמוי קוטבהאבולוציה ization העלילה (ראה הבלעה באיור 8).
    6. חשבתי את התדירות חולפת מנורמל משמרת כוח חולף דרך:
      משוואה
      משוואה
    7. עלילת שינוי תדר תהודה משוואה , לשנות בשלטון תהודה משוואה ולשנות בשלטון חולף בתדר מרכז החלל משוואה , 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:
    משוואה
  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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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

הדינמיקה של המוליכות משוואה יכול להיות קשור לדינמיקה של נושאי המטען משוואה בְּאֶמצָעוּת

משוואה

בהנחה mobilities נושאי מטען משוואה הם קבועים בזמן, לפחות על הזמנים של הריקבון. יתר על כן, ובהנחה שלא רקומבינציה של נושאי המטען יצרו בתחילה מתרחשת במהלך דופק הליזר, המקסימום (סוף הדופק) שינוי conductancדואר יכול להיות כפי שנכתב:

משוואה
משוואה

איפה משוואה החיוב הוא של אלקטרון, משוואה הוא צפיפות נושאי מטען ומושרי מקסימלית, משוואה הוא האירוע עוצמת פוטון על המדגם (פוטונים / 2 ס"מ), משוואה הוא יעילות קוונטית הפנימית משוואה נספג את החלק היחסי של אור האירוע באורך גל מסוים, אשר יכול להיות מחושב מן ספקטרום הספיגה (ראה Figure 1). שיא TRMC משוואה ולכן תואם את ספק ניידות תשלום המהותי (מיקרוגל) של המדגם.

חשוב לציין כי המוליכות המצוטטות הוא מוליכות ממוצע לאורך כל הסרט 14, משוואה . התיאור לעיל מניח צפיפות הספק ומושרי הומוגנית ברחבי המדגם, אשר תקף דגימות עם צפיפות אופטית נמוכה מספיק כדי פיזור הספק הוא אחיד בדרך כלל ברחבי המדגם. בעוד הומגניות נושאי מטען מושרה (אשר יכול להיות מקורב באמצעות החוק הבר-למברט) מסבכים את הניתוח של שיפוע מוליכות ומושרים, זה לא אינו משפיע על קוונטיזציה הנכונה של משוואה , מאז השינוי הכולל מוליכות הוא independent של מפל ריכוזים מובילים. עם זאת, ריכוז מוביל לא אחיד עשוי להשפיע על תהליכים קויים מסדר גבוה במדגם.

מודל כללי עם רקומבינציה בתיווך מלכודת ישירה ואחד ברמה מוצג מתחת ל -7.

משוואה
משוואה
משוואה

איפה משוואה הם אוכלוסיות החור וללכוד אלקטרונים, משוואה הוא תעריף הייצור, משוואה הם שיעור רקומבינציה bimolecular, שיעור השמנה ואת r מלכודתשיעור ecombination בהתאמה. על ידי התאמת נתוני TRMC עם מודל הקינטית כגון זה המתואר לעיל מפותל עם פונקצית תגובת מכשיר גאוס, אפשר לא רק לקבוע תקופות חיים המובילים צפיפויות מלכודות, אלא גם לאפיין תהליכי רקומבינציה ישירים בתיווך מלכודת. איור 7 מראה בכושר נציג באמצעות הפרמטרים בטבלה 1.

זהירות מיוחדת יש לנקוט בקביעת ייחודו של פרמטרים לנכונים. זה שימושי אם ניתן לבצע ניסויים חינם כדי לאמת אחד לוחות הזמנים (למשל זמן נפתר מדידת PL ניתן להשתמש כדי להשיג את שיעור רקומבינציה הישיר.

אם זנב ריקבון שוהה הנתונים, חשוב לקבל נתונים לאורך זמן מספיק כדי לייצג ריקבון הזנב הזה במדויק: מתאים אותם הנתונים קצוצים זמנים קצרים יותר עלול לגרום diלוחות הזמנים fferent. זנבות ריקבון בעצימות נמוכים יכולים להיות קשים במיוחד כדי להתאים במדויק אם הזנב נעלם לתוך רצפת הרעש של המכשיר.

עבור ההתקנה שלנו, ההחלטה הזמנית מוגבלת על ידי זמן התגובה של מנתח רשת וקטור, אשר יש זמן תגובה של כ -60 ננו-שניות. גורם Q למדידות המוצג כאן הוא כ -150, עם זמן תגובת החלל מקביל כ. 7 ns. עבור setups זיהוי מיקרוגל האלטרנטיבי עם זמן תגובה מהיר יותר (דיודה מיקרוגל למשל ו אוסצילוסקופ), משך חיי החלל עלולים להגביל את הרזולוציה הטמפורלית.

התלות בתדר המיקרוגל של ריקבון TRMC ניתן להשתמש לפרק מוליכות מורכבים לתוך (מוליכות) אמיתיות ומדומים (polarizability) רכיבים. איור 8 מראה את עקבות TRMC גלם שצולמו כפונקציה של תדר מיקרוגל חללי, פורש23 תדרים לאורך עקום התהודה של החלל החשוך. משמאל 3 עקבות נציג (נתונים גולמיים). שים לב שהנתונים המריאו תהודה עשויים להציג פרופיל ריקבון מעוות, עם אונות חיוביות או שליליות, או אפילו מתהפכים. מימין הוא ייצוג 3D של כוח מיקרוגל כפונקציה של זמן ותדר P (T, ו). בזמן t = 0, קווי בסיס TRMC לשחזר את עקומת התהודה של החלל הטעון. משמרת מקסימלי בשני את העוצמה ואת התדירות של מיקרוגלים משתקף מתרחשת בזמן t ≈ 7 מיקרו-שניות (סוף הדופק).

המעבר הדינמי בעקום התהודה של החלל כתוצאת נושאי מטען ומושרי עודף מוצג באיור 9. שינוי זה יכול או לא יכול להיות משמעותי, תלוי את המאפיינים דיאלקטרי של החומר (כלומר אם מוליכות המתחם כולל מרכיב דמיוני או לא). העקב האדום משוחזר מקו הבסיס של עקבות TRMC נלקחבתדרי מיקרוגל בדיקה מרובים. עקבות זו תואמת את תהודת החלל החשוכה. העקב הכחול משוחזר מן כוח סוף הדופק TRMC נלקח בתדרים מרובים. הבלעה מציגה את טיול של תדר התהודה vs כוח התהודה במהלך של התפרקות.

דינמיקת קיטוב ניתן להשתמש כדי להבחין בין מסלולים רקומבינציה ישירים בתיווך מלכודת. איור 10 מראה דקונסטרוקציה של עקבות TRMC לתוך תרומות מן הרכיבים אמיתיים ומדומים של המוליכות. העקב האדום נתוני TRMC הנמדד בתדירות קבועה משוואה , תדר התהודה של חלל טיעון הכהה. זוהי מדידת TRMC טיפוסית של מוליכות מורכבים. הדעיכה של החלק האמיתי של המוליכות (כוח התהודה המתקבל הולם) היא להתוות את העקבות הירוקות. הדעיכה של קיטוב (התהודה frequency) מוצג בכחול. דעיכת הקיטוב מפגינה זנב ריקבון קטן יותר באופן משמעותי מאשר ריקבון המוליכות. משמעות הדבר הוא כי בזמנים ארוכים, נושאי המטען תורמים יותר מוליכות אז הם לקיטוב, אשר עולה בקנה אחד עם ריקבון דרך מדינות לכודים מקומיות.

אינטראקציות מסדר שניות של נושאי מטען נגרם צילום יכולות להיחקר באמצעות התלות העוצמת עירור של דינמיקת נושאי מטען. 11a איור מראה עקבות TRMC נלקחה ב עירור 530 ננומטר בעוצמות עירור שונים פורש בשני סדרי גודל, בין 10 12 - 10 14 נספג פוטונים / 2 ס"מ. עקבות TRMC להפגין שני לוחות זמנים שונים, המעיד על הנוכחות של שני מנגנוני ריקבון ברורים: ריקבון המהיר (אשר מתרחש על בסדר גודל של 100 ננו-שניות) מיוחסת תהליכי רקומבינציה ישירים בעוד ריקבון הזנב הארוך מיוחס רקומבינציה בתיווך מלכודת.בעוד האות בדרך כלל עולה עם הגדלת כוח לייזר, ניידות משוואה של perovskite CH 3 NH 3 PBI 3 מקטין בעוצמה עירור גוברת, כפי שמוצג 11b איור. העוצמת (ולכן צפיפות הספק) התלות היא ליניארי משנה, המעידה על הנוכחות של תהליכי ריקבון מסדר גבוהים.

התלות של מסלולי ריקבון נושאי מטען על אנרגית פוטון אירוע (אורך גל) מוצגת באיור 12. אורכי גל של 530, 750 ו 780 ננומטר נבחרו לייצג את המשטר bandgap המשנה הנ"ל, בין לבין, כפי שנקבע מן ספקטרום הספיגה (איור 1). אם ניקח בחשבון את מקדמי קליטה שונים באורכי גל אלה, העקבות TRMC צולמו סמכויות לייזר אשר הביאה צפיפות פוטון נספג של 5 × 10 12 פוטונים / 2 ס"מעבור כל עקבות. ברור כי בעוד לוחות זמני הריקבון שאינם תלויים גל עירור, מספר מדינות מלכודת נגישות (אשר תורמות מסלול ריקבון אחראי זנב הריקבון הארוך) הוא גדול יותר עבור מדינות להקת פער הנ"ל אז למי קרוב bandgap.

איור 1
איור 1: קליטת הספקטרום של CH 3 NH 3 PBI 3. ספקטרום הקליטה משמש הוא לקבוע את אזור הרפאים של עניין, כמו גם עבור כיול של כוח הליזר הנספג. Bandgap של מדגם זה הוא כ -750 ננומטר, עם מדינות הזנב המתפרס 780 ננומטר. אורכי גל של עניין עשוי לכלול: מעל המשטר bandgap (λ <700 ננומטר), bandgap (λ = 750 ננומטר) ובאזור המדינה הזנב (750 ננומטר <λ <780 ננומטר). אנאלחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2: סכמטית ניסיוני TRMC הכללי. מדגם ממוקם חלל מיקרוגל photoexcited דרך התקנת העירור האופטית, בעת היותו נחקר עם מעגלי זיהוי מיקרוגל. הליזר מספק הדק לסינכרון מדידה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: הגדרה אופטית. לייזר באורך גל מתכונן משמש נושאי מטען Excite אופטית במדגם להציב חלל המיקרוגל. מראה פרבולית משמש זוג ליזר המקום הפנוי לתוך סיב אופטי. מסנני צפיפות ניטראליים משמשים לקבלת סדרת כוח ליזר מכוילת היטב. שני אירוסים משמשים לחסל קורות צלובות אשר עלולה לגרום נזק חיפוי סיבים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4: חלל מיקרוגל. בחלק עליון מימין: תמונה של החלל. למעלה משמאל: סימולצית חלל HFSS מראה כי השדה החשמלי הוא כ אחיד ומקסימום במיקום המדגם. תחתון: מודל של החלל. חור קטן בטווח הקצר במיקרוגל מאפשר גישה אופטית לתוך החלל. מפזר טפלון משמש כדי להבטיח אירוע האור על המדגם הוא אחיד מרחבית. המדגם מושם בעל מדגם טפלון במיקום השדה החשמלי המרבי. אירוס משמש כדי להגדיר את הקצה הקדמי של החלל. כוונוןבורג משמש כדי לייעל את גורם Q של החלל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5: סכמטית איתור מיקרוגל. מנתח רשת וקטור משמש הוא כמקור מיקרוגל כמו גלאי IQ. כוחה מיקרוגל הפלט מחולק לשני נתיבים: זרוע עירור וזרוע זיהוי. עירור המיקרוגל עובר דרך circulator לתוך חלל, שם הוא מקיים אינטראקציה עם מדגם. כוח מיקרוגל בראי עובר דרך circulator לתוך מגבר לפני כניסת הגלאי. האות מפוצל לשתיים, חצי מעורבב עם אות המיקרוגל המקורי (מניב לי האות ב פאזיים) ואת החצי השני הוא מעורבב עם שלב אות מיקרוגל המקורי מוזז על ידי 90 ° (מניברכיב נצב של Q האות). לבסוף, את המשרעת של האות מחושבת באמצעות משוואה .

נתח רשת וקטורי יכול לשמש הן במישור הזמן (להשיג TRMC עקבות בתדר קבוע) בתחום התדר (כדי לקבל עקומת השתקפות חלל S21 מצב יציב), מבלי לשנות את הטעינה על חלל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6: תהודה עקומה של חלל טעון. עקומת תהודה בקנה המידה ליניארי ששמשה לחישוב הגורם הרגיש חלל. התאמת הלורנצי (הכחולה) משמשת כדי לחלץ את תדר התהודה, רוחב פס FWHM ומינימום משתקפים R כוח אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7: Fit עם אודה. מנורמל עקבות TRMC, בכושר עם מודל קינטי מפותל עם פונקצית תגובת מכשיר גאוס המתארת ​​תהליכי רקומבינציה ישירים בתיווך מלכודת. הנתונים מוצגים על מגרש לוג-לוג כדי להדגיש את קיומה של ריקבון זנב משרעת נמוך. דופק הליזר מתרחש בזמן t ≈ 7 × 10 -6 s. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

פרמטר בכושר k 2 (ס"מ -1) k T (ס"מ 3 s -1) k R (ס"מ 3 s -1) N T (ס"מ 3)
ערך 6.50 × 10 -10 7.90 × 10 -8 1.10 × 10 -9 1.60 × 10 16

טבלה 1: התאמת הפרמטרים. פרמטרים Fit של עקבות TRMC נלקחה ב עירור 530 ננומטר עם 6.4 x 10 14 נספג ph / 2 ס"מ.

הספרה 8
איור 8: סדרת תדר מיקרוגל. עקבות TRMC גלם שצולמו כפונקציה של תדר מיקרוגל חללי, פרשו 23 תדרים לאורך עקום התהודה של החלל החשוך. משמאל 3 עקבות נציג (נתונים גולמיים). על הנכון הוא ייצוג 3D של כוח מיקרוגל כפונקציה של זמן ותדר P (T, ו). חולצת = 0, קווי בסיס TRMC לשחזר את עקומת התהודה של החלל הטעון. בזמן t ≈ 7 מיקרו-שניות (סוף הדופק), יש שינוי בולט בעקום תהודה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 9
איור 9: משמרת תהודת חלל ומושרים. עקומות תהודה משוחזרות TRMC עקבות לפני (אדום) ופשוט אחרי הארה (כחולה). עקומת תהודת המשמרות הם משרעת (שינוי מוליכות אמיתיות) ו בתדירות (שינוי המוליכות דמיוניות). ההבלעה עוקבת אחר האבולוציה של כוח תהודת vs התדירה במהלך של ההתפרקות. jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 10
איור 10: דינמיקת Decay של אמיתי vs מוליכות דמיוניות. העקב האדום הוא נתוני TRMC נלקחו ב ג ו תדר קבוע, תדר התהודה של חלל טיעון הכהה. העקב הירוק הוא השינוי בשלטון בתדר התהודה, מתקבל הולם. העקב הכחול הוא שינוי תדר תהודה כפונקציה של זמן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 11
איור 11: סדרת אינטנסיביות. מימין: תלות עוצמת ניידות מדגם les / ftp_upload / 55,232 / 55232eq74.jpg "/> נלקח באורכי גל עירור שונים בין 530 ו 780 ננומטר מימין:... ארעי TRMC נלקח כפונקציה של כוח ליזר מסנני ND משמשים להחליש את כוח הליזר על ידי כמות ידועה עוצמת מתאימה למספר של פוטונים נספגים / 2 סנטימטר. הדופק הליזר מתרחש בזמן t ≈ 7 × 10 -6 s. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 12
איור 12: סדרת אורך גל. מנורמל עקבות TRMC נלקחו בצפיפות פוטון קבועה של 5 × 10 12 נספגו פוטונים / 2 סנטימטר באורך גל עירור של 530, 750 ו 780 ננומטר. דופק הליזר מתרחש בזמן t ≈ 7 × 10 -6 s./ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55232/55232fig12large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 ומדומים שלה לפני הנתונים ניתן לנתח. טכניקת TRMC היא רגישה לשינויים החלקים המדומה של הקבוע הדיאלקטרי, אשר עשוי להיות להם תרומות לא רק מוליכות חשמליות אלא גם מפני אובדן דיאלקטרי בשל ארגון מחדש דיפול. טכניקה זו לא ניתן להשתמש כדי להבחיןבין שני מנגנונים אלה, אנו מניחים כאן כי מוליכות חשמליות היא התרומה הדומיננטית הקבוע דיאלקטרי הדמיוני, שהינה הנחה טובה חומרים גבישיים, אבל לא יכולים להיות תקף עבור דגימות בתמיסה.

כדי להשיג מדידות מוחלטות ולא יחסית, טכניקת TRMC דורשת כיול נרחב. בפרט, לכיול ההתקנה אופטי כדי לקבוע את הפוטונים נספג / פוטונים האירוע הוא חיוני כדי להשיג mobilities מדויק. באופן עקרוני, ניתן להשתמש TRMC כמוני על דגימות נוזלות או אבקה; אולם אפיון מדויק של קליטת דגימות אלה יכול להיות קשה.

הכיול של הגורם הרגיש חלל יכול להיות גם קשה אם קבוע דיאלקטרי משוואה החומר אינו ידוע. במקרה זה, את רגישות החלל חייבת להיות מושג על ידי דוגמנות רפלקטיביתפרמטרי שיקוף של החלל באמצעות תדר גבוה סימולטור 1 אלקטרומגנטית, 14, או באמצעות מדגם כיול דק (<1 מיקרומטר) אשר יש מקדם דומה על החלל כמו המדגם נבדק. אם רגישות החלל שלא ניתן למדוד, אפשר להשיג מדידות יחסית משמעותיות (למשל כפונקציה של עוצמת או גל) ולחלץ מידע דינמי.

מדידות ניידות AC יכול להיות בכמה סדרי גודל גבוה יותר מאלו שהושגו על ידי DC מדידות כמה זמן הטיסה (TOF) או מדידות צילום CELIV. לדוגמה, ניידות DC של מטריצות פולימר הוא נשלט על ידי תחבורה בין-שרשרת, שמוביל הזמנות ניידות גודל קטן יותר מזה שהושג באמצעות TRMC 17. הסיבה לכך היא כי מדידות DC להניב ניידות יעילה באמצעות מכשיר, בעוד mobilities AC הוא mobilities הפנימי של החומר, לא מושפעאינטראקציות חומר-קשר, או הפרעות של מהירות סחיפת התרמית של נושאי מטען בשל מתחי נהיגה גדולים. מדידות ניידות DC ו- AC ניתן להשתמש במקביל כדי לחקור תחבורת תשלום דרך התקנים פוטו או אלקטרו-זורח: מדידות TRMC להבהיר מנגנוני תחבורת נושאי מטען פנימיים, תוך מדידות DC יכולות לשמש כדי לזהות את מנגנון ההעברה הדומיננטי של החומר במכשיר.

רחבה שימושית מאוד כדי ניסוי TRMC היא התוספת של התקנת photoluminescence נפתר זמן כדי לפקח על הדעיכה של נושאי מטען באמצעות רקומבינציה ישירה. בדרך זו, מדידת PL ניתן להשתמש כדי להבחין בין מסלול רקומבינציה ישיר באופן חד משמעי מן מנגנוני ריקבון אחרים שתורמים דעיכת TRMC, ובאופן משמעותי להאיץ את תהליך ההתאמה.

ישנן מספר רחבות לטכניקת TRMC. לדוגמה, שדה המושרה TRMC, שבו TRMC צפחותrements מבוצעות במכשיר תחת הטית שדה חשמלית המספקת הזרקה מצב יציב של נישאים, ניתן להשתמש כדי לחקור אתרי מלכודת interfacial בהתקן 18.

חלק מן המגבלות של טכניקת TRMC ניתן להתגבר על ידי השוואת מספר דוגמאות.

למשל תוך מדידת TRMC יחידה אינה יכולה להבחין בין mobilities אלקטרוני החור, אפשר להשוות מדגם מסודר עם מדגם להציב אלקטרון או חור קבלת שכבה 3. בנוסף, TRMC לא יכול לשמש כדי להבדיל בין השטח או מלכודות בתפזורת, אולם אפשר להשוות unpassivated vs דגימות פסיבציה לקבוע את התרומה של מלכודות משטח לתהליך ריקבון בתיווך מלכודת 6. לחלופין, סדרה של סרטים דקים עם עובי הגדלה יכולה לשמש כדי לקבוע אם קיימת תלות יחס שטח / נפח על הצפיפות המלכודת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hellmanex III detergent Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en&region=AU		 Z805939 Corrosive and toxic. See SDS.
Lead(II) iodide (99%) Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en&region=AU		 211168 Toxic. See SDS.
Anhydrous dimethylformamide (99.8%) Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en&region=AU		 227056 Toxic. See SDS.
Anhydrous dimethylsulfoxide (99.9%) Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en&region=AU		 276855 Toxic. See SDS.
Anhydrous 2-Propanol (99.5%) Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en&region=AU&gclid=
COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q		 278475
Methylammonium iodide Dyesol
www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html		 MS101000 Also sold by Sigma Aldrich
Poly(methyl methacrylate) Sigma Aldrich 445746
Anhydrous chlorobenzene (99.8%) Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en&region=AU		 284513 Toxic. See SDS.
Equipment Company Model Comments/Description
UV-VIS-NIR spectrophotometer Perkin-Elmer  Lambda 900
Profilometer Veeco Dektak 150
Vector Network Analyzer Keysight
www.keysight.com/en/pdx-x201927-pn-N9918A/fieldfox-handheld-microwave-analyzer-265-ghz?cc=US&lc=eng		 Fieldfox N9918A
Tunable wavelength laser Opotek
www.opotek.com/product/opolette-355		 Opolette 355
Neutral density filters Thorlabs
www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193		 NUK01
Power meter Thorlabs
www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D		 PM100D
Power sensor Thorlabs
www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C		 S401C
Cavity Custom built The cavity used in for this experiment was designed and built in-house.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

הנדסה גיליון 121 זמן הוחלט מוליכות מיקרוגל TRMC מוליכות מורכבים ניידות רקומבינציה דינמיקת נושאי מטען ספקטרוסקופיה אופטית אפיון חשמל ללא מגע photovoltaics מיקרוגל perovskites
Dynamics רקומבינציה ב חומרים פוטו סרט דק באמצעות מוליכות מיקרוגל זמן נפתרה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guse, J. A., Jones, T. W., Danos,… More

Guse, J. A., Jones, T. W., Danos, A., McCamey, D. R. Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity. J. Vis. Exp. (121), e55232, doi:10.3791/55232 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter