إعادة التركيب حيوية في الأغشية الرقيقة المواد الضوئية عن طريق وحلها الوقت ميكروويف التوصيل

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

تم توضيح طريقة للتحقيق في ديناميات إعادة التركيب من حاملات الشحنة-صور يتسبب في أشباه الموصلات رقيقة، وتحديدا في المواد الضوئية مثل perovskites هاليد العضوي من الرصاص. وتتميز سماكة الفيلم perovskite ومعامل الامتصاص في البداية من قبل profilometry والأشعة فوق البنفسجية-VIS طيف الامتصاص. يوصف معايرة حساسية كل من قوة الليزر وتجويف في التفاصيل. بروتوكول للأداء فلاش التحلل الضوئي الوقت حل ميكروويف التوصيل (TRMC) التجارب، وهي طريقة غير الاتصال لتحديد الموصلية من المواد، ويرد. ويرد عملية لتحديد المكونات الحقيقية والمتخيلة من التوصيل المعقدة عن طريق أداء TRMC بوصفها وظيفة من وتيرة الميكروويف. يتم تحديد ديناميات تهمة الناقل في ظل أنظمة الإثارة مختلفة (بما في ذلك السلطة على حد سواء والطول الموجي). وتقدم التقنيات المتعلقة بالتمييز بين العمليات تسوس المباشرة وبوساطة فخ ومناقشتها.وعلى غرار النتائج وتفسيرها مع الإشارة إلى نموذج الحركي العام لحاملات الشحنة ضوئي؛ في أشباه الموصلات. الأساليب المذكورة تنطبق على مجموعة واسعة من المواد الضوئية، بما في ذلك المواد الضوئية العضوية وغير العضوية، والجسيمات النانوية، وتجري / شبه الموصلة الأغشية الرقيقة.

Introduction

فلاش التحلل الضوئي وقت حل الموصلية الموجات الدقيقة (FP-TRMC) يرصد ديناميات حاملات الشحنة-صور متحمس على الجدول الزمني NS-ميكرو ثانية، مما يجعلها أداة مثالية للتحقيق في عمليات إعادة التركيب تهمة الناقل. فهم آليات اضمحلال حاملات الشحنة-صور يتسبب في أشباه الموصلات رقيقة غير ذات أهمية رئيسية في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك تحسين جهاز الضوئية. في عمر الناقل الناجم غالبا ما تكون وظائف الكثافة التي يسببها الناقل، والطول الموجي الإثارة، والتنقل، والكثافة فخ ومعدل محاصرة. توضح هذه الورقة براعة تقنية وقت حل ميكروويف التوصيل (TRMC) للتحقيق في مجموعة واسعة من تبعيات الناقل الحيوي (كثافة، والطول الموجي والتردد الميكروويف) وتفسيراتها.

يمكن أن رسوم Photogenerated تعديل على حد سواء حقيقية وخيالية أجزاء من ثابت العزل الكهربائي للمادة، وهذا يتوقف على قدرتها على الحركة وdegre (ه) من الحبس / توطين 1. التوصيل من مادة معادلة يتناسب مع ثابت العزل الكهربائي المعقد

معادلة

أين معادلة هو تواتر حقل كهربائي الميكروويف، معادلة و معادلة هي أجزاء حقيقية وخيالية من ثابت العزل الكهربائي. وهكذا، يرتبط جزء حقيقي من التوصيل إلى الجزء التخيلي من ثابت العزل الكهربائي، ويمكن أن يتم تعيينها على امتصاص الموجات الدقيقة، في حين يرتبط الجزء التخيلي للحرارة (سيشار إليها فيما بعد الاستقطاب) إلى التحول في تردد صدى من مجال الميكروويف 1.

ر "> TRMC توفر العديد من المزايا أكثر من غيرها من التقنيات. على سبيل المثال، والقياسات الضوئية العاصمة تعاني من مجموعة من المضاعفات الناجمة عن الاتصال مع المواد الأقطاب. التهجين المحسن في واجهة الكهربائي / مادة، والعودة حقن الرسوم من خلال هذه الواجهة، وكذلك كما عززت تفكك excitons وأزواج متئمة بسبب الجهد المطبق 2 كل ذلك يؤدي إلى تشوهات في التنقلات الناقل قياس وعمر. وفي المقابل، TRMC هو أسلوب اليكتروديلس الذي يقيس الحركة الذاتية للشركات دون تشوهات بسبب تهمة نقل عبر اتصالات .

وهناك ميزة كبيرة من استخدام القوة الميكروويف كما تحقيقا لديناميات الناقل هو أنه، فضلا عن رصد أعمار اضمحلال حاملات الشحنة، وآليات تسوس / مسارات يمكن أيضا أن التحقيق.

ويمكن استخدام TRMC لتحديد إجمالي التنقل 3 و الحياةالساعة 4 من حاملات الشحنة التي يسببها. ويمكن في وقت لاحق هذه المعايير أن تستخدم للتمييز بين آليات إعادة التركيب مباشرة وبوساطة فخ 3 و 5. اعتماد هذه مسارين تسوس منفصلة يمكن تحليلها كميا بوصفها وظيفة من كثافة الناقل 3 و 5 و طاقة الإثارة / الطول الموجي 5. توطين / الحبس ناقلات التي يسببها يمكن التحقيق من خلال مقارنة اضمحلال التوصيل مقابل الاستقطاب 5 (وهمي مقابل جزء حقيقي من ثابت العزل الكهربائي).

بالإضافة إلى ذلك، وربما الأهم من ذلك، TRMC يمكن استخدامها لوصف الدول فخ التي تكون بمثابة مسارات تسوس تهمة الناقل. الفخاخ سطح، على سبيل المثال، يمكن تمييزها عن الفخاخ السائبة بمقارنة مطلية مقابل عينات unpassivated 6. الدول ذات فجوة الحزمة الفرعية يمكنيتم التحقيق مباشرة باستخدام فجوة الحزمة الفرعية طاقات الإثارة 5. كثافة فخ يمكن استنتاجها عن طريق تركيب البيانات TRMC 7.

نظرا لتعدد هذه التقنية، وقد تم تطبيق TRMC لدراسة مجموعة واسعة من المواد بما في ذلك: أشباه الموصلات رقيقة التقليدية مثل السيليكون 6 و 8 و تيو 2 10، النانوية 11، الأنابيب النانوية وأشباه الموصلات العضوية 12، يمزج المادية 13، 14، والضوئية الهجين المواد 3 و 4 و 5.

من أجل الحصول على المعلومات الكمية باستخدام TRMC، فمن الأهمية بمكان أن تكون قادرة على تحديد دقيق لعددمن امتصاص الفوتونات لالإثارة البصرية معين. منذ أساليب لقياس امتصاص الأغشية الرقيقة، النانوية والحلول وعينات مبهمة تختلف، فقد تم تصميم تقنيات إعداد ومعايرة العينة المقدمة هنا على وجه التحديد لعينات رقيقة. ومع ذلك، فإن بروتوكول قياس TRMC قدمت عامة جدا.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

التحضير 1. عينة

تحذير: بعض المواد الكيميائية المستخدمة في هذا البروتوكول يمكن أن تكون خطرة على الصحة. يرجى التشاور مع جميع بيانات سلامة المواد ذات الصلة قبل أن يتم أي تحضير عينة مكان. استخدام المعدات المناسبة الحماية الشخصية (معاطف معمل، ونظارات السلامة، والقفازات، الخ) والضوابط الهندسية (على سبيل المثال صندوق قفازات، غطاء الدخان، وما إلى ذلك) عند التعامل مع السلائف perovskite، والمذيبات.

ملاحظة: إن الهدف من هذا القسم هو لتشكيل موحد سمك طبقة رقيقة على الركيزة. في حين أن هذا الإجراء هو محدد لهاليد العضوي الرصاص perovskite عينة، ويمكن تعديلها لمجموعة من العينات وتقنيات إعداد عينة بما في ذلك ترسيب البخار، طلاء تدور والاخرق، وما إلى ذلك نتيجة هامة هي طبقة رقيقة موحد.

  1. تنظيف الركيزة
    1. وضع الكوارتز (أو انخفاض الزجاج الحديد) الركيزة في حمام بالموجات فوق الصوتيةمن المنظفات لمدة 30 دقيقة.
    2. تكرار العلاج بالموجات فوق الصوتية مع الماء عالى النقاء وثم مع الأيزوبروبانول.
    3. وضع ركائز تنظيفها تحت البلازما النيتروجين لمدة 30 دقيقة مباشرة قبل نقل إلى صندوق قفازات النيتروجين.
  2. CH 3 NH 3 PBI 3 إعداد العينات perovskite باستخدام طريقة interdiffusion 15
    ملاحظة: يتم تنفيذ الخطوات التالية في صندوق قفازات النيتروجين.
    1. إضافة 461 ملغ من PBI 2 إلى قارورة العينة، ونقل إلى صندوق قفازات النيتروجين.
    2. إضافة 850 ميليلتر من ثنائي ميثيل الفورماميد اللامائية (DMF) إلى 150 ميكرولتر من ثنائي ميثيل سلفوكسيد اللامائية ([دمس]) لمن مختلطة 85:15 DMF / DMSO المذيبات.
    3. إضافة PBI 2 إلى DMF / DMSO المذيبات وتسخين الخليط في 100 درجة مئوية مع التحريك مع شريط مغناطيسي حتى يذوب PBI 2 تماما.
    4. تصفية حل PBI 2 من خلال PTFE 0.2 ميكرونتصفية إلى قارورة العينة نظيفة والعودة الى 100 درجة مئوية موقد.
    5. حل 50 ملغ من CH 3 NH 3 I في 50 مل من الأيسوبروبانول اللامائية.
    6. الاستغناء عن 80 ميكرولتر من PBI 2 حل الساخن على الركيزة الزجاج (في درجة حرارة الغرفة) وتدور على الفور في 5000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية لتشكيل رقيقة PBI 2 فيلم السلائف.
    7. حقن حجم 300 ميكرولتر من CH 3 NH 3 I حل مباشرة على مركز للفيلم PBI وتدور على الفور معطف هذا الحل في 5000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية.
      ملاحظة: يجب أن تنفذ هذه الخطوة مع الاستغناء عن ثقة واحد من الحل CH 3 NH 3 I. كن حذرا لتجنب القطرات غير مقصودة لأن ذلك يؤثر على جودة الفيلم الناتج.
    8. ضع العينة على موقد عند 100 درجة مئوية لمدة 2 ساعة، مثل أن الفيلم السلائف يبلور إلى بنية perovskite. وCH الناتجة 3 NH 3 PBI 3 فيلم يجب أن يكون SMOأوراسكوم تليكوم القابضة، مع وجود سطح يشبه المرآة وحوالي 250 نانومتر سميكة.
  3. تغليف عينة
    ملاحظة: هذه الخطوة ضرورية فقط للعينات التي تعاني من تدهور في الغلاف الجوي.
    1. حل 10 ملغ من بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) في 1 مل الكلوروبنزن اللامائية. تدور معطف العينة مع 50 ميكرولتر من محلول PMMA في 1000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية.

توصيف 2. عينة

  1. قياس سمك عينة
    1. حفر خط صغير على عينة رفيق. مسح سطح بالقرب من حفر باستخدام profilometer. تحديد سماكة الفيلم L.
      ملاحظة: يجب أن يتم تخزين العينات في ضوء الحرة (على سبيل المثال مغطاة بورق الألومنيوم) (مثل النيتروجين) بيئة خالية من الأكسجين لتصبح جاهزة للاستخدام.
  2. قياس طيف الامتصاص
    ملاحظة: إن تفاصيل هذا القياس تختلف تبعا لنموذج (مثل مساحيق مقابل المرجعالأفلام aque مقابل الأفلام شبه شفافة). تم تصميم الإجراء التالي لشبه شفافة عينات رقيقة. والهدف من هذا القسم هو لتحديد الأطوال الموجية للاهتمام بالتحقيق (على سبيل المثال تحديد الفرقة الفجوة، وميزات excitonic، وما إلى ذلك)، ولحساب F لذلك، فإن جزء من الفوتونات استيعابها مقابل الفوتونات الحادث في كل الطول الموجي للاهتمام.
    1. ضع عينة الركيزة (مثل شريحة زجاجية) في صاحب العينة من معمل المناسب. الانعكاس خلفية سجل (R (λ)) والنفاذية (T (λ)) الأطياف وفقا لتعليمات الشركة الصانعة. ملاحظة: مستوى الانعكاس مثل باو 4 ويمكن أيضا أن تستخدم للحصول على خط الأساس دقيقة.
    2. استبدال الركيزة مع العينة وتسجيل الانعكاس (R (λ)) والنفاذية (T (λ)) وفقا لتعليمات الشركة الصانعة. طرح قياس الخلفية للحصول على الأطياف دقيقة.
      ملاحظة: للحصول على عينات مبهمة، كماpectrophotometer مع مرفق المجال دمج يجب أن تستخدم. يتم قياس الانعكاس منتشر كما في القسم 2.2.1-2، لكن العينة يجب أن توضع في في الجزء الخلفي من المجال دمج، وفقا لتعليمات الشركة الصانعة.
    3. حساب معامل الامتصاص عن طريق:
      معادلة
      ملاحظة: أين، د هو سمك الفيلم في الطول.
    4. حساب عدد من امتصاص الفوتونات مقابل حادث طريق
      معادلة
      ملاحظة: تأكد من أن معامل الامتصاص وعينة سماكة L له نفس وحدة.
    5. تحديد موجات من الاهتمام من طيف الامتصاص عن طريق التفتيش. ويمكن أن تشمل هذه التحولات البصرية أو موجات على حافة الفرقة أو في ذيل الفرقة. لاحظ واو في كل من هذه الموجات.
      ملاحظة: يجب أن يتم تنفيذ عمليات المعايرة التالية فقط قبل التجربة.

3. قوة الليزر المعايرة

ملاحظة: في هذا القسم، يرجى الرجوع إلى التخطيطي الإثارة البصرية في الشكل (3). الليزر الطول الموجي الانضباطي مثل OPOS تتطلب اقتران في كل الطول الموجي.

  1. زوجان الليزر في الفضاء الحر إلى الألياف
    ملاحظة: إذا كان ليزر المتاح هو بالفعل الألياف إلى جانب تخطي هذا القسم.
    ملاحظة: خارج محور مقرنة الألياف مرآة مكافئ هي الوني، وهو ما يعني أن كل حادث موجات على المرآة وتركز على نقطة العينة. ونتيجة لذلك، فإن الألياف يمكن أن يقترن إلى ليزر مساحة حرة على طول موجي واحد، و لا يتطلب تعديلات في كل الطول الموجي. يجب أن تتم هذه الخطوة قبل أن يتم تنفيذ أي قياسات أخرى
    ملاحظة: من الممكن لتصميم تجويف TRMC والإعداد البصرية باستخدام الليزر المساحة الحرة، على الرغم من أن بدقة وبتكاثر تميز قوة الليزر يمتص قد يكون قليلا أكثر صعوبة.
    1. تعيين الطول الموجي الحادث إلى القيمة المطلوبة (على سبيل المثال 750 نانومتر) وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة. ليزر طول موجة ثابتة، هذه الخطوة غير ضرورية.
    2. تحقق من ملف شعاع الليزر لمرئية الحزم عبر. إذا كانت هذه موجودة، استخدام قزحية العين للسماح فقط شعاع جاوس المركزي لتمريرها إلى مقرنة الألياف.
    3. محاذاة إلى خارج المحور مرآة مكافئ الألياف مقرنة بحيث يتم محاذاة شعاع الليزر الحادث مع المحور البصري للمرآة.
    4. توصيل الألياف البصرية إلى مقرنة الألياف وجهاز استشعار القوة. أكبر جوهر الألياف، والمزيد من الضوء يمكن أن يقترن إلى الألياف. A 1 مم الأساسية NA 0.48 الألياف يعمل على نحو فعال.
    5. تعظيم اقتران الألياف في الطاقة المنخفضة من خلال مراقبة انتاج الطاقة من الألياف مع استشعار القوة في حين ضبط الميل وزاوية مقرنة الألياف. ويتحقق اقتران الأمثل عندما يتم تكبير القدرة المقاسة من مستشعر (أي أي تعديلات من الألياف مقرنة نتيجة زاوية الميل في لوور قياس الطاقة)
      ملاحظة: إذا محاذاة سيئة، فمن الممكن أن يؤدي إلى تلف الكسوة الخارجية للألياف. ويشير الصوت موقوتة أن الثقب يتم حرق في الكسوة. في هذه الحالة، تتحول فورا قبالة الليزر وإجراء محاذاة الخشنة للمقرنة في الطاقة المنخفضة.
    6. تدريجيا زيادة قوة الليزر وصقل اقتران كما هو الحال في 3.1.5.
  2. قياس التجويف فقدان عامل
    ملاحظة: يجب أن يتم تنفيذ هذا القسم بعد العملية الألياف اقتران المبينة في القسم 3.1.
    1. قياس القدرة المرسلة من خلال الألياف باستخدام جهاز استشعار الطاقة المناسبة. يتم إجراء هذا القياس قبل توصيل الألياف داخل تجويف.
    2. قياس قوة في العينة. هذا هو أسهل إذا تم تجويف تتكون من 4 لوحات موجة الربع ثمل معا (انظر الشكل 4). للقيام بذلك بدقة وبتكاثر، فك تجويف، وضع قناع حجم صاحب العينة في العينةوضع وقياس قوة الليزر الوصول إلى كشف من خلال قناع.
    3. حساب فقدان عامل تجويف بقسمة قوة الليزر قياس في الألياف من قبل السلطة يقاس في العينة. يأخذ هذا القياس في الاعتبار الخسائر هندسية فضلا عن الخسائر الناجمة عن مكونات ناشر في الإعداد.
    4. كرر هذا القياس لكل طول موجي من الفائدة.

4. تصاعد العينة في تجويف

  1. وضع العينة في صاحب العينة تفلون، مصممة بحيث يتركز العينة في تجويف إدراج مرة واحدة.
  2. تضاف حامل العينة إلى تجويف في موقع الأقصى الحقل الكهربائي، مع طبقة رقيقة تواجه المدخلات البصرية من تجويف. ويبين الشكل 4 تخطيطي مفصل من صاحب تجويف وعينة.

5. تجويف حساسية معايرة 14

ملاحظة: ولدت صورة الزائدة تهمةناقلات تؤدي إلى تغيير في التوصيل عينة معادلة (ن خ -1) الذي يؤدي إلى انخفاض في قوة الميكروويف ينعكس من تجويف معادلة . لتغييرات صغيرة في التوصيل 17، التغيير في السلطة الميكروويف يتناسب مع التغيير في التوصيل عن طريق عامل حساسية تجويف معادلة :
معادلة
التغيير في التوصيل معادلة من يرتبط العينة إلى تغيير في تصرف بالجملة معادلة بواسطة معادلة
ملاحظة: هذه المعايرة ضروري لتحويل طاقة الميكروويف إلى تهمة التنقل الناقل. إذا كان الهدفمن هذه الدراسة هو مقارنة ديناميات أو الحصول على نتائج نسبية، غير مطلوب هذه المعايرة.
ملاحظة: في هذا القسم، يرجى الرجوع إلى إعداد كشف الميكروويف في الشكل (5).

  1. ربط ميناء 1 من محلل شبكة للدائري مدخل الميناء 1. منفذ توصيل 2 من محلل شبكة إلى نقطة في الدائرة قبل الكشف (على سبيل المثال لإخراج الصمام الثنائي الكشف أو الذكاء تعديل كاشف). قياس قوة المنعكسة من تجويف تحميل (أي مع عينة إدخالها) بوصفها 2-ميناء قياس S21، من أجل الحصول على منحنى صدى من الدائرة. 14
    ملاحظة: إذا لم يقابل تجويف مع الدوائر الكشف الميكروويف الخارجية، فإن منحنى الرنين تكون مختلفة عن تجويف مستقل مقابل تجويف في الدائرة. وبالتالي، فمن الأفضل لقياس الرنين ليس بوصفه قياس انعكاس منفذ واحد من تجويف، وإنما بوصفها 2-ميناء "انعكاس" عبتي قياسough على شكل دائري.
    ملاحظة: يتم تحديد تردد صدى أساسا من هندسة تجويف المستخدمة. تم العثور على ترددات الرنين نموذجية لTRMC في اكس باند (~ 10 غيغاهرتز) و Q-الفرقة (~ 34 غيغاهرتز)، على الرغم من أن أي تردد الموجات الدقيقة من حيث المبدأ أن تستخدم. في هذه المخطوطة، ونحن نستخدم تجويف مع تردد صدى ~ 6.5 غيغاهرتز، والتي توفر استجابة الميكروويف مماثلة وفي الوقت ذاته توفير فضاء العينة أكبر بالمقارنة مع تجويف X-الفرقة.
  2. تحسين عامل الجودة، معادلة من تجويف مع المسمار ضبط بملاحظة تراجع الرنين يصبح أكثر عمقا وأضيق.
    ملاحظة: تحسين عامل س لا يعني بالضرورة تحقيق أقصى قدر من س. وفي الوقت نفسه زيادة عامل س يزيد من حساسية، وزمن الاستجابة تجويف معادلة كما يزيد. قد يكون من الأفضل للحد من حساسية للحصول على القرار الزماني أعلى. إذا كان حاملات الشحنة للصور التي يسببها تغير كثيرا ثابت العزل الكهربائي للمادة، وتردد صدى يمكن أيضا تحويل مؤقتا خارج النطاق الترددي تجويف إذا كان سؤال كبير، مما أدى إلى قياس قوة مشوهة. في هذه الحالات، تقارن زائد مرنان قليلا قد تحسين دقة قوة ينعكس.
  3. قياس وتسجيل منحنى الرنين الأمثل للاستخدام محلل شبكة كما هو موضح في القسم 5.1.1.
  4. مؤامرة P ينعكس الحادث P / على مقياس خطي وتناسب شخصية تصحيح خط الأساس مع lineshape Lorentzian، كما هو مبين في الشكل (6).
  5. حساب معامل الجودة تحميل معادلة ، عن طريق:
    معادلة
    ملاحظة: أين معادلة هو العرض الكامل في نصف كحد أقصى (FWHM) من منحنى الرنين وأوجه "SRC =" / ملفات / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> هو تردد الرنين.
  6. حساب حساسية تجويف عامل ألف (Ω سم) من تجويف عبر 14:
    معادلة
    أين معادلة هي نسبة ينعكس على قوة الحادث الذي وقع في تردد صدى، معادلة هو تردد صدى تحميل، معادلة هو تردد الرنين، معادلة هو ثابت العزل الكهربائي من المواد في تردد صدى، معادلة هي السماحية من المساحة الحرة (F / سم).
    ملاحظة: تفترض هذه الصيغة عينة تملأ تجويف كله.
  7. تصحيح عامل حساسية لعينة geometrذ:
    العوامل تصحيح التالية التقدم للحصول على عينة رقيقة من حجم [ث × ث × L]، (L << د)، وتركزت في تجويف في ض 0 = د / 4 (أي في أقصى الحقل الكهربائي). هنا، L هو سمك العينة (سم)، a و b الجانبين الطويلة والقصيرة من تجويف مستطيل على التوالي وd هو طول تجويف (سم). ونظرا للهندسة تصحيح عامل حساسية Ã حسب:
    معادلة
    حيث C C س ص هي عوامل التصحيح نظرا لملء ناقصة من الفضاء تجويف على طول ض والاتجاه س ص، التي قدمها:
    معادلة
    معادلة

6. واحدة TRMC عابر إجراء القياس

  1. تحديد معايير القياس المثلى: تجد إشارة يدويا
    ملاحظة: نداءحد ذاتها تشير إلى التخطيطي التجريبية المعروضة في الشكل 2 قبل قراءة الأقسام التالية للبروتوكول.
    ملاحظة: إنشاء الدوائر الكشف الميكروويف يمكن أن يتم إما باليد أو باستخدام البرنامج المناسب. عادة، لكل عينة جديدة، والمعلمات قياس (مثل تردد الرنين، والطاقة الميكروويف، موقف الزناد والوقت قاعدة) غير معروفة ويجب تعديلها لتحديد / تحسين الإشارة. وعادة ما يتم ذلك يدويا. مرة واحدة وقد تم التعرف على إشارة، ثم يتم إدخال المعلمات قياس في السيناريو MATLAB (أو غيرها) يستخدم لأتمتة عملية القياس.
    1. ضبط الليزر لطول موجة من الاهتمام، كما هو محدد في القسم 2.2.5.
    2. إذا كان ليزر لديه وضع السلطة قابل للتعديل، تعيين انتاج الطاقة إلى الحد الأقصى، وفقا لتعليمات الشركة الصانعة. (وهذا قد يتضمن يدويا تعديل مقبض السلطة، أو يمكن أن يتم عن طريق برنامج يعتمد على الليزر).
    3. ربط (بالفعلإلى جانب) الألياف البصرية إلى جهاز استشعار القوة، وقياس قوة الليزر التي تنتقل عن طريق الألياف باستخدام السلطة متر. لم يتم توصيل الألياف إلى تجويف في هذه المرحلة.
      ملاحظة: للحصول على ليزر نابض قصيرة جدا، وهذا هو في كثير من الأحيان أفضل ذلك باستخدام الحرارية (متوسط ​​القوة) أجهزة الاستشعار بدلا من أجهزة الاستشعار الصمام الثنائي، والتي قد تخضع لتشبع الزمني أو حتى انهيار العزل الكهربائي في القوى عالية جدا.
    4. استخدام محايدة الكثافة (ND) مرشحات للتخفيف من قوة الليزر إلى مستوى الطاقة المطلوب.
      ملاحظة: من الممكن لضبط السلطة إلى مستوى أدنى وعدم استخدام مرشحات، ولكن يمكن الحصول على قراءة دقيقة أكثر قوة عن طريق قياس قوة عالية ثم المخففة.
    5. حساب N الرقم الهيدروجيني، وعدد من الفوتونات استيعابها / سم 2 / نبض في هذا شدة الإثارة عن طريق:
      معادلة
      معادلة
    6. توصيل الألياف إلى تجويف.
    7. إعداد الدوائر الكشف كما هو مبين في الشكل (5).
      ملاحظة: تم استخدام محلل شبكة متجه لأداء هذه القياسات. ومع ذلك فإنه من الممكن استخدام برنامج إعداد كشف الميكروويف بديل، على سبيل المثال باستخدام الصمام الثنائي الميكروويف كجهاز استشعار القوة.
    8. تعيين تردد مصدر الميكروويف لتردد صدى من تجويف تحميل، كما تقاس في القسم 5. للحصول على الإعداد لدينا باستخدام محلل شبكة، وهذا ينطوي على تمكين وتيرة الانتاج المستمر ودخول تردد الموجات الدقيقة الانتاج يدويا.
    9. تعيين قوة الميكروويف ل0 ديسيبل.
    10. تحريك محلل شبكة (أو كاشف البديل) باستخدام الليزر. تحديد الزناد تعويض ضرورية للقبض على صعود إشارة مع عدد قليل من ميكروثانية إشارة "المظلمة" قبل نبضة ليزر لاستخدام كأساس للتركيب. وضع الزناد تعويض إلى 1/10 من طول إشارة يعمل بشكل جيد (على سبيل المثال إذا كانت الإشارة 100 ميكرو ثانية طويلة، ثم baseliيجب أن يقابل الزناد شمال شرق بنسبة 10 ميكرو ثانية). هذا ينطوي على تغيير وضع الزناد ل"الخارجية"، وضبط الزناد تعويض حتى يتم العثور على إشارة.
    11. ضبط timebase من محلل شبكة (أو كاشف البديل) بحيث الذيل عابرة أطول بكثير من أن تسوس الأولي. في كثير من الأحيان، هناك ذيل طويل والتي استمرت حتى عندما يظهر (على مقياس خطي) أن إشارة والتهاوي إلى الطابق الضوضاء.
      ملاحظة: لتحديد ما إذا كان timebase المستخدم هو طويل بما فيه الكفاية، يسجل TRMC عابرة المتوسط ​​ومن ثم رسم على نطاق سجل-السجل.
  2. قياس عابر الخام
    ملاحظة: عادة، عند الحصول على أجنحة من البيانات TRMC، وآلية عملية القياس من التواصل مع مصدر الميكروويف وكاشف. في هذه الورقة، تم استخدام MATLAB النصي محلية الصنع لضبط الانتاج الموجات الدقيقة (التكرار، والطاقة) وأيضا لتكوين اكتساب القياس (قاعدة قياس الوقت، الزناد تعويض، رقم سالمتوسطات F).
    1. إذا ومؤتمتة القياسات، وإدخال تردد الموجات الدقيقة والطاقة فضلا عن اكتساب تعويض الزناد وقياس قاعدة الوقت الذي تم تحديده في القسم أعلاه في البرنامج النصي التجربة.
    2. في حين ينبض بشكل مستمر ليزر، وقياس وتسجيل تسوس عابرة TRMC على محلل شبكة (أو كاشف البديل). متوسط ​​لا يقل عن 100 آثار (حتى لو كان S / N عالية جدا مع قياس طلقة واحدة) للتعويض عن الاختلافات قوة النار إلى النار في ليزر نابض. إذا ومؤتمتة القياسات، ويتم ذلك عن طريق تنفيذ البرنامج النصي التجربة.
      قد تكون هناك حاجة في المتوسط للحصول على ما يكفي من الإشارات إلى الضجيج، وخاصة بالنسبة للعينات مع طويلة، صغيرة ذيول السعة تسوس هذه كما هو موضح في الشكل 7: ملاحظة.
      ملاحظة: مقلوب العابرين، أو العابرين مع "الفصوص" الإيجابية والسلبية، قد تشير إلى أن وتيرة الميكروويف ليست في وتيرة تجويف الرنين. ضبط الصورةإلى أقصى حد ممكن تردد ource حتى إشارة عابرة.
    3. فصل الألياف من تجويف ووضع حد أقصى لالميناء البصري. خذ خلفية القراءة مع نفس العدد من المتوسط ​​كما في الخطوة السابقة، مع العينة لا يزال في مرنان، ولكن لم تعد مضيئة.
    4. طرح التتبع خلفية من تتبع إشارة.
  3. معالجة البيانات الخام إلى التنقل في الناقل المسؤول
    1. حساب التغير في السلطة ينعكس عبر
      معادلة
      ملاحظة: أين معادلة هي القيمة الأساسية للعابر الخام (قبل إضاءة) و معادلة هي البيانات عابرة الخام.
      ملاحظة: إذا كانت التدابير كشف عن الجهد ليس السلطة (على سبيل المثال ديود + الذبذبات)، ثم يجب تضمين عامل تحجيم. وعادة ما يتم نقل عامل التحجيم من قبل دالشركة المصنعة IODE. والتي قد يتم الحصول عليها عن طريق إجراء معايرة الجهد الناتج مقابل مدخلات الطاقة الميكروويف.
      معادلة
    2. تحويل التغيير في السلطة ينعكس على التنقل في حاملات الشحنة (أي إعادة مقياس عابر) عن طريق:
      معادلة
      ملاحظة: أين معادلة يتوافق مع نهاية نبضة ليزر، معادلة هو المسؤول عن إلكترون، معادلة هي النسبة بين أبعاد قصيرة وطويلة من تجويف و معادلة هو عدد الفوتونات استيعابها لكل سم 2 و معادلة (Ω) ترتبط الميكروويف ص تنعكسower إلى التغيير في ΔG تصرف. هذا إعادة قياس يسمح للمقارنة ذات مغزى من العابرين TRMC التي اتخذت في القوى الليزر المختلفة وموجات.
      ملحوظة: معادلة هو في الواقع التنقل الكلي للإلكترون والثقوب. ومع ذلك، فإننا لا يمكن التمييز بين هذه المساهمات باستخدام TRMC، وبالتالي فإننا المقطوع بها معا من أجل البساطة.
    3. تناسب التتبع TRMC مع نموذج ملائم.
      ملاحظة: هذا هو بسيط إذا يتبع البيانات على شكل الأسي واحد أو مزدوج. ومع ذلك، فإنه البيانات لديها نموذج بسيط قد يكون من الضروري لاحتواء البيانات إلى نموذج الحركية، التي شملت تركيب حل قصيدة (انظر الشكل 7). يجب convolved المعادلة المناسب / نموذج مع وظيفة استجابة أداة (على سبيل المثال التمويه تركزت في ر = ر الليزر مع عرض المقابلة لزمن الاستجابة الصك الذي يحد من القرار الزماني للبيانات.) </ لى>

7. التحقيق في مكونات الحقيقية والخيالية لالموصلية

  1. قياس TRMC يتتبع بوصفها وظيفة من وتيرة التحقيق الميكروويف
    ملاحظة: يمكن تفكيكه و(معقدة) ديناميكية التوصيل في الحقيقي (الموصلية) وهمية مكونات (الاستقطاب) من خلال اتخاذ عدة TRMC اثار على ترددات الميكروويف تمتد منحنى صدى من تجويف تحميل.
    1. تحديد تردد صدى معادلة من تجويف مع العينة في الظلام من منحنى S21 تجويف الرنين (انظر الشكل 6).
    2. اختيار س> 20 نقطة تردد معادلة على طول هذا المنحنى الرنين. وسوف تستخدم هذه النقاط لتناسب وظيفة Lorentzian، لذلك فمن الأفضل إذا كان هناك المزيد من النقاط على مقربة من الظلام تردد صدى و ج (انظر الشكل 9).
    3. تعيين الطول الموجي الإثارة اعتمادا على ديناميات الاستقطاب من الفائدة (على سبيل المثال فوق فجوة نطاقها لاستقطاب الناقل الحرة، ذات فجوة الحزمة الفرعية لاستقطاب تهمة المحاصرين).
    4. تعيين قوة الليزر إلى الحد الأقصى (وهذا سوف يعطي أعلى S / N).
    5. قياس قوة الليزر من الألياف. ضبط وتيرة التحقيق الميكروويف لتردد صدى من تجويف في الظلام معادلة .
    6. الحصول على أثر TRMC كما هو موضح في القسم 6. كرر القياس المذكورة أعلاه في كثافة الليزر ثابتة ل معادلة .
  2. البيانات تردد مرحلة ما بعد المعالجة: التفكيكية إلى أجزاء حقيقية وخيالية
    1. مؤامرة TRMC قوة عابرة معادلة كوقت وظيفة وتردد الموجات الدقيقة التحقيقوفاق / ftp_upload / 55232 / 55232eq116.jpg "/>، كما هو مبين في الشكل (8).
    2. قطعة معادلة و معادلة ، قوة TRMC في تي = 0 وفي تي = نهاية نبضة ليزر لكل تردد الموجات الدقيقة، كما هو مبين في الشكل (8).
    3. لكل شريحة في الوقت المناسب معادلة وبناء منحنى الرنين معادلة .
    4. تناسب هذا المنحنى مع Lorentzian للحصول على تردد الرنين معادلة ، وقوة الرنانة معادلة .
    5. قطعة معادلة ضد معادلة للحصول على التباطؤ مثل القطبيةمؤامرة تطور سعودة (انظر أقحم في الشكل 8).
    6. حساب تردد عابرة تطبيع وعابرة تحول السلطة عن طريق:
      معادلة
      معادلة
    7. رسم التغير في تردد صدى معادلة ، تغيير في السلطة الرنين معادلة وتغيير في السلطة عابرة على التردد مركز تجويف معادلة ، كما هو مبين في الشكل (10).

8. كثافة جناح بيانات تابع

  1. ضبط الليزر لطول موجة من الاهتمام، كما هو محدد في القسم 2.2.5.
  2. تعيين قوة الليزر إلى الحد الأقصى.
  3. قياس قوة الليزر من الألياف.
  4. توصيل الألياف إلى تجويف.
  5. الحصول على عابر TRMC واحد على النحو المبين في المادة 6.
  6. إدراج مرشح ND في أي مكان بين الليزر والألياف (أي بين قزحية العين، أو قبل مقرنة الألياف. ليزر مع انتاج الألياف، يجب وضع فلتر ND بين مخرجات الألياف وتجويف الميناء البصري).
  7. حساب وتسجيل عدد معدلة من الفوتونات استيعابها كما هو موضح في 6.1.5.
  8. الحصول على عابر TRMC واحد على النحو المبين في المادة 6.
    ملاحظة: كما يزيد من التوهين، وانه سيصبح ضروريا لزيادة عدد المتوسطات.
  9. كرر 8،6-8،8 لأكبر عدد ممكن من مجموعات من المرشحات ND كما هو مطلوب.
    وغالبا ما يلاحظ تبعيات شدة على مدى عدة أوامر من حجم: ملاحظة. تم تعيين الحد عالية الطاقة من قبل سلطة الطاقة الانتاجية القصوى الليزر على طول موجة معين. تم تعيين الحد منخفضة الطاقة من قبل حساسية الإعداد الكشف.

9. الطول الموجي جناح بيانات تابع

ملاحظة: في أوردإيه مقارنة العابرين TRMC بأطوال موجية مختلفة، ويجب معايرة الليزر على كل طول موجي هذا أن تركيز الناقل ثم يسببها هو ثابت.

  1. تحديد الطول الموجي الذي يحد من الحد الأقصى لتحقيقه الناجم عن كثافة الشحنة الناقل ناقلات N. قد تكون محدودة هذا عن طريق قوة الليزر المتاحة في ذلك الطول الموجي أو خصائص امتصاص العينة. على سبيل المثال، عند قياس العابرين TRMC في الطول الموجي تمتد النظام السابق، أمور وفجوة الحزمة الفرعية، فإن انخفاض امتصاص في موجات ذات فجوة الحزمة جنوب تحديد الحد الأقصى لكثافة الناقل.
  2. حساب قوة الليزر اللازمة لتوليد هذه ثابتة ناقلات N إشارة كثافة الناقل في كل طول موجي باستخدام:
    معادلة
  3. ضبط الليزر مع الطول الموجي المطلوب. تعيين قوة الليزر إلى القيمة المحسوبة في 9.2. توصيل الألياف إلى تجويف. الحصول على عابر TRMC واحد كما هو مبين فيالقسم 6. كرر الخطوة 9.3 لكل طول موجي من الفائدة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وقد تم الحصول على نتائج ممثلة المعروضة هنا من CH 250 نانومتر 3 NH 3 PBI 3 رقيقة عينة الفيلم.

ديناميات الموصلية معادلة يمكن أن تكون ذات صلة لديناميات حاملات الشحنة معادلة بواسطة

معادلة

على افتراض أن التنقلات تهمة الناقل معادلة هي ثابتة في الوقت المناسب، على الأقل على الجدول الزمني للتسوس. وعلاوة على ذلك، مع افتراض عدم إعادة التركيب من حاملات الشحنة شكلت في البداية تحدث أثناء نبضة ليزر، والحد الأقصى (نهاية النبض) التغيير في conductancه يمكن كتابتها على النحو التالي:

معادلة
معادلة

أين معادلة هو المسؤول عن إلكترون، معادلة هي أقصى ضوئي؛ كثافة الشحنة الناقل، معادلة هو حادث الفوتون كثافة على عينة (الفوتونات / سم 2)، معادلة هي كفاءة الكم الداخلية و معادلة هو جزء من الضوء الساقط يمتص عند طول موجي معين، والتي يمكن حسابها من امتصاص الطيف (انظر شملت رقمه 1). ذروة TRMC معادلة وبالتالي يتوافق مع جوهري (الميكروويف) تهمة التنقل الناقل من العينة.

من المهم أن نلاحظ أن الموصلية نقلت هو الموصلية متوسط طوال الفيلم 14، معادلة . الوصف أعلاه يفترض كثافة الناقل ضوئي؛ متجانسة في جميع أنحاء عينة، وهي صالحة لمدة العينات مع منخفضة الكثافة البصرية بما فيه الكفاية بحيث تبديد الطاقة عموما موحدة في جميع أنحاء العينة. وفي حين ان التهمة التي يسببها عدم التجانس الناقل (والتي يمكن أن يقترب عبر قانون بير لامبرت) يعقد تحليل الانحدار الموصلية ضوئي؛، فإنه لا لا يؤثر على تكميم الصحيح معادلة منذ التغيير الكلي في تصرف غير دائرة الهجرة والجنسيةependent من التدرج تركيز الناقل. ومع ذلك، تركيز الناقل غير موحدة قد تؤثر على أعلى ترتيب العمليات غير الخطية في العينة.

ويرد النموذج العام مع إعادة التركيب بوساطة فخ المباشرة وعلى مستوى واحد أقل من 7.

معادلة
معادلة
معادلة

أين معادلة هي ثغرة إلكترونية وفخ السكان، معادلة هو معدل جيل، معادلة هي معدل إعادة التركيب ثنائي الجزيء، فإن معدل محاصرة وفخ صمعدل ecombination على التوالي. عن طريق تركيب البيانات TRMC مع نموذج الحركية مثل تلك المذكورة أعلاه الملتوية مع وظيفة استجابة أداة التمويه، فمن الممكن لتحديد ليس فقط عمر الناقل وكثافة فخ، ولكن أيضا تميز عمليات إعادة التركيب مباشرة وبوساطة الفخ. ويبين الشكل 7 نوبة تمثيلي باستخدام المعلمات في الجدول 1.

يجب الحرص بشكل خاص في تحديد تفرد المعلمات مناسبة. ومن المفيد إذا كان من الممكن إجراء تجارب مجانية للتحقق من واحد من الجداول الزمنية (مثل قياس الوقت PL حل يمكن استخدامها للحصول على معدل إعادة التركيب المباشر.

إذا ذيل تسوس موجود في البيانات، فمن المهم الحصول على البيانات لفترة طويلة بما فيه الكفاية لتمثل بدقة هذا الذيل تسوس: اقتصاص المناسب نفس البيانات لفترة زمنية أقصر قد يؤدي في ديالجداول الزمنية fferent. يمكن منخفضة ذيول تسوس كثافة يكون من الصعب خصوصا لتناسب بدقة إذا يختفي الذيل في الطابق ضجيج الصك.

من أجل الإعداد لدينا، هو القرار الزماني محدود من زمن الاستجابة للمحلل شبكة ناقلات، والتي لديها وقت استجابة من حوالي 60 نانو ثانية. عامل س للقياسات المقدمة هنا هو حوالي 150، مع زمن استجابة تجويف المقابلة تقريبا. 7 نانو ثانية. للالاجهزة الكشف عن الميكروويف بديلة مع أسرع وقت الاستجابة (مثل الصمام الثنائي الميكروويف والذبذبات)، عمر تجويف قد تحد من القرار الزماني.

تردد الاعتماد الميكروويف TRMC تسوس يمكن أن تستخدم لتفكيك التوصيل المعقدة إلى الحقيقي (الموصلية) ومكونات (الاستقطاب) وهمية. ويبين الشكل 8 آثار TRMC الخام تؤخذ بوصفها وظيفة من وتيرة التحقيق الميكروويف، والتي تمتد23 الترددات عبر منحنى صدى من تجويف مظلم. على اليسار هناك 3 آثار التمثيلية (البيانات الخام). لاحظ أن البيانات اقلعت بالرنين قد تعرض لمحة تسوس مشوهة، مع فصوص إيجابية أو سلبية، أو حتى تصبح معكوسة. على اليمين هو تمثيل 3D قدرة الميكروويف بوصفها وظيفة من الوقت والتردد ف (ر، و). في تي = 0، خطوط الأساس TRMC إعادة بناء منحنى صدى من تجويف تحميل. تحول القصوى في كل من السلطة وتواتر الموجات تنعكس يحدث في تي ≈ 7 ميكرو ثانية (نهاية النبض).

يظهر التحول الديناميكي في منحنى صدى من تجويف نتيجة لحاملات الشحنة الزائدة ضوئي؛ في الشكل 9. هذا التحول قد أو قد لا تكون كبيرة، وهذا يتوقف على خصائص عازلة للمادة (أي إذا الموصلية معقد يحتوي على عنصر وهمي أو لا). وأعيد التتبع الأحمر من الخط الخلفي للآثار TRMC اتخذتفي عدة ترددات الميكروويف التحقيق. هذا التتبع يتوافق مع صدى تجويف مظلم. وأعيد التتبع الأزرق من TRMC السلطة نهاية نبض أخذ على ترددات متعددة. يظهر أقحم في نزهة للتردد صدى مقابل السلطة الرنانة خلال الاضمحلال.

ديناميات الاستقطاب يمكن استخدامها للتمييز بين مسارات إعادة التركيب مباشرة وبوساطة الفخ. ويبين الشكل 10 على تفكيك أي أثر TRMC إلى مساهمات من المكونات الحقيقية والمتخيلة من التوصيل. تتبع الأحمر هو البيانات TRMC اتخذت على تردد ثابت معادلة وتردد صدى للتحميل الظلام تجويف. هذا هو القياس TRMC نموذجي التوصيل المعقدة. يتم رسم اضمحلال الجزء الحقيقي للحرارة (السلطة الرنانة التي تم الحصول عليها من المناسب) في تتبع الأخضر. اضمحلال الاستقطاب (والتردد الرنينيظهر ص) باللون الأزرق. اضمحلال استقطاب المعارض ذيل تسوس أصغر بكثير من تسوس الموصلية. وهذا يعني أنه في أوقات طويلة، وحاملات الشحنة تساهم أكثر في التوصيل ومن ثم فهي لالاستقطاب، وهو ما يتسق مع تسوس عبر دول المحاصرين المترجمة.

التفاعلات من الدرجة الثانية من حاملات الشحنة للصور التي يسببها يمكن التحقيق من خلال الاعتماد الإثارة شدة ديناميات تهمة الناقل. ويبين الشكل 11A آثار TRMC التي اتخذت في 530 نانومتر الإثارة في مختلف شدة الإثارة التي تمتد اثنين من حيث الحجم، من 12 أكتوبر - 14 أكتوبر امتصاص الفوتونات / سم 2. آثار TRMC يحمل اثنين من الجداول الزمنية متميزة، مشيرا إلى وجود آليتين تسوس متميزة: اضمحلال سريع (والذي يحدث في حدود 100 م) ويعزى إلى عمليات إعادة التركيب مباشرة بينما عزا تسوس ذيل طويل لإعادة التركيب بوساطة الفخ.في حين أن إشارة يزيد عادة مع زيادة قوة الليزر، والتنقل معادلة من CH 3 NH 3 PBI 3 perovskite يتناقص مع زيادة شدة الإثارة، كما هو مبين في الشكل 11B. الاعتماد كثافة (وبالتالي كثافة الناقل) هو دون الخطية، تشير إلى وجود ارتفاع عمليات الاضمحلال النظام.

ويظهر اعتماد تهمة مسارات الناقل الاضمحلال على طاقة الفوتون الحادث (الطول الموجي) في الشكل رقم 12. موجات من 530 و 750 و 780 نانومتر تم اختيارهم لتمثيل النظام أعلاه، فيما ودون فجوة الحزمة، كما هو محدد من امتصاص الطيف (الشكل 1). مع الأخذ بعين الاعتبار معاملات امتصاص مختلفة في هذه الأطوال الموجية، اتخذت آثار TRMC في القوى الليزر مما أدى إلى كثافة الفوتون الممتص من 5 × 10 12 الفوتونات / سم 2لكل أثر. فمن الواضح أنه في حين أن الجداول الزمنية تسوس مستقلة عن الطول الموجي الإثارة، وعدد من الدول فخ الوصول (التي تسهم في مسار الاضمحلال مسؤولة عن ذيل تسوس طويلة) أكبر للدول الفرقة الفجوة المذكورة أعلاه ثم لمقربين من فجوة الحزمة.

شكل 1
الشكل 1: طيف الامتصاص من CH 3 NH 3 PBI 3. يتم استخدام طيف الامتصاص لتحديد كل من منطقة الطيفية للاهتمام، فضلا عن معايرة قوة الليزر استيعابها. في ذات فجوة الحزمة من هذه العينة حوالي 750 نانومتر، مع الدول ذيل تمتد إلى 780 نانومتر. ويمكن أن تشمل موجات من الفائدة: فوق النظام فجوة الحزمة (λ <700 نانومتر)، فجوة الحزمة (λ = 750 نانومتر) والمنطقة دولة الذيل (750 نانومتر <λ <780 نانومتر). رجاءانقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2: TRMC عامة التخطيطي التجريبية. وphotoexcited عينة توضع في تجويف الميكروويف عبر الإعداد الإثارة البصرية، في حين يجري بحث مع الدوائر الكشف الميكروويف. يوفر الليزر نقطة انطلاق لتزامن القياس. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل (3): الإعداد البصرية. ويستخدم طول موجة الليزر الانضباطي لحاملات الشحنة تثير بصريا في عينة توضع في تجويف الميكروويف. ويستخدم مرآة مكافئ لزوجين ليزر المساحة الحرة في الألياف الضوئية. وتستخدم مرشحات الكثافة محايدة للحصول محسوبة بدقة ليزر سلسلة السلطة. وتستخدم اثنين من قزحية العين للقضاء عبر الحزم التي يمكن أن تتلف الألياف الكسوة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4: ميكروويف تجويف. أعلى اليمين: صورة لتجويف. أعلى اليسار: HFSS محاكاة تجويف يدل على أن المجال الكهربائي هو تقريبا موحدة وكحد أقصى في موقف العينة. أسفل: نموذج من تجويف. ثقب صغير في القصير الميكروويف يسمح بالوصول البصرية في تجويف. ويستخدم الناشر تفلون لضمان الحادث الضوء على عينة غير مكانيا موحدة. يتم وضع العينة في صاحب العينة تفلون في أقصى موضع الحقل الكهربائي. يتم استخدام القزحية لتحديد الواجهة الأمامية للتجويف. وضبطيستخدم المسمار لتحسين عامل س من تجويف. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5: ميكروويف الكشف التخطيطي. ويستخدم محلل شبكة ناقلات على حد سواء مصدر الميكروويف وكما للكشف عن معدل الذكاء. يتم تقسيم انتاج الطاقة الميكروويف إلى مسارين: ذراع الإثارة وذراع الكشف. يمر الإثارة الميكروويف من خلال شكل دائري في تجويف، حيث يتفاعل مع عينة. السلطة تنتقل الموجات الدقيقة ينعكس من خلال شكل دائري في مكبر للصوت قبل دخول كاشف. يتم تقسيم إشارة في اثنين، ونصف مختلطة مع إشارة الميكروويف الأصلي (العائد للفي إشارة مرحلة I) والنصف الآخر يتم خلط مع المرحلة إشارة الميكروويف الأصلية تحول بنسبة 90 درجة (العائد للعنصر التربيع للإشارة س). وأخيرا، يتم حساب سعة إشارة عبر معادلة .

محلل شبكة ناقلات يمكن استخدامها على حد سواء في المجال الزمني (للحصول على TRMC يتتبع على تردد ثابت) وفي نطاق التردد (للحصول على دولة S21 منحنى تجويف انعكاس ثابت)، من دون تغيير التحميل على تجويف. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل 6: منحنى الرنين من تجويف تحميل. منحنى على نطاق والرنين الخطي تستخدم لحساب معامل الحساسية تجويف. يتم استخدام تناسب Lorentzian (الأزرق) لاستخراج تردد صدى، عرض النطاق الترددي FWHM والحد الأدنى يعكس قوة R الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7: صالح مع القصيدة. TRMC أثر تطبيع، تتناسب مع النموذج الحركي الملتوية مع وظيفة استجابة أداة التمويه واصفا عمليات إعادة التركيب مباشرة وبوساطة الفخ. يتم عرض البيانات على قطعة سجل-سجل لتسليط الضوء على وجود انخفاض تسوس السعة الذيل. يحدث نبضة ليزر في تي ≈ 7 × 10 -6 الصورة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

صالح المعلمة ك 2 (سم -1) ك تي (سم 3 ق -1) ك R (سم 3 ق -1) N T (سم 3)
القيمة 6.50 × 10 -10 7.90 × 10 -8 1.10 × 10 -9 1.60 × 10 16

الجدول 1: تركيب المعلمات. المعلمات صالح من TRMC أثر اتخذت في 530 نانومتر الإثارة مع 6.4 × 10 14 يمتص فتاه / سم 2.

الرقم 8
الرقم 8: ميكروويف سلسلة تردد. آثار TRMC الخام التي اتخذت بوصفها وظيفة من وتيرة التحقيق الميكروويف، والتي تمتد 23 الترددات عبر منحنى صدى من تجويف مظلم. على اليسار هناك 3 آثار التمثيلية (البيانات الخام). على ال هو حق تمثيل 3D قدرة الميكروويف بوصفها وظيفة من الوقت والتردد ف (ر، و). تي = 0، خطوط الأساس TRMC إعادة بناء منحنى صدى من تجويف تحميل. في تي ≈ 7 ميكرو ثانية (نهاية النبض)، هناك تحول واضح في منحنى الرنين. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 9
الرقم 9: تجويف ضوئي؛ تحول الرنين. منحنيات صدى بناؤها من TRMC يتتبع قبل (أحمر) وبعد (الأزرق) إضاءة. منحنى صدى التحولات سواء في السعة (التغيير في التوصيل الحقيقي) وتردد (التغيير في التوصيل وهمي). وأقحم يتتبع تطور قوة الرنانة مقابل تردد خلال الاضمحلال. JPG "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 10
الرقم 10: ديناميات اضمحلال حقيقية مقابل التوصيل وهمي. تتبع الأحمر هو البيانات TRMC المتخذة في تردد ثابت و ج، وتردد صدى للتحميل الظلام تجويف. تتبع الأخضر هو تغيير في السلطة في تردد صدى، تم الحصول عليها من المناسب. التتبع الأزرق هو التغير في تردد صدى بوصفها وظيفة من الزمن. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 11
الرقم 11: سلسلة كثافة. اليسار: إن الاعتماد كثافة عينة التنقل ليه / ftp_upload / 55232 / 55232eq74.jpg "/> التي اتخذت في مختلف موجات الإثارة بين 530 و 780 نانومتر اليمين:... العابرين TRMC تؤخذ بوصفها وظيفة من قوة الليزر تستخدم المرشحات ND للتخفيف من قوة الليزر بمقدار معروف كثافة يتوافق مع عدد الفوتونات تمتص / سم 2. يحدث نبضة ليزر في تي ≈ 7 × 10 -6 الصورة. انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 12
الرقم 12: سلسلة الطول الموجي. آثار TRMC تطبيع المتخذة في كثافة الفوتون الثابتة من 5 × 10 12 استوعبت الفوتونات / سم 2 في الطول الموجي الإثارة من 530، 750 و 780 نانومتر. يحدث نبضة ليزر في تي ≈ 7 × 10 -6 الصورة./ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55232/55232fig12large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في حين أن تقنية TRMC يمكن أن تقدم ثروة من المعلومات حول ديناميات تهمة الناقل ضوئي؛، وهذا هو القياس غير المباشر للالموصلية، وبالتالي يجب توخي الحذر عند تفسير النتائج. يقيس تقنية TRMC التنقل الكلي، والتي لا يمكن استخدامها للتمييز بين الإلكترون وثقب التنقلات. والافتراض الأساسي الذي الموصلية يتناسب مع تغيير في السلطة ينعكس يحمل فقط عندما يكون هذا التغيير هو صغير (<5٪) (16). وعلاوة على ذلك، إذا كان التحول في تردد صدى أثناء اضمحلال كبير، ثم مجموع (المعقد) الموصلية سوف يتعين تفكيكه إلى مكوناته الحقيقية والمتخيلة قبل أن تتمكن من تحليل البيانات. تقنية TRMC حساسة للتغيرات في الجزء التخيلي من ثابت العزل الكهربائي، التي قد يكون لها مساهمات ليس فقط من التوصيل الكهربائي ولكن أيضا من فقدان عازلة بسبب إعادة توجيه ثنائي القطب. هذا الأسلوب لا يمكن أن تستخدم للتمييزبين هاتين الآليتين، ونحن نفترض هنا أن التوصيل الكهربائي هو مساهمة المهيمنة على ثابت العزل الكهربائي وهمي، وهو افتراض جيد للمواد البلورية، ولكن قد لا تكون صالحة للعينات في الحل.

من أجل الحصول على قياسات المطلقة بدلا من النسبية، وتقنية TRMC يتطلب معايرة واسعة النطاق. على وجه الخصوص، ومعايرة الإعداد الضوئية لتحديد الفوتونات تمتص / الفوتونات الحادث أمر حاسم للحصول على التنقلات دقيقة. من حيث المبدأ، فإنه من الممكن استخدام TRMC الكمية على عينات السائل أو المجفف؛ لكن توصيف دقيق لامتصاص هذه العينات يمكن أن يكون صعبا.

قد تكون أيضا معايرة عامل حساسية تجويف الصعب إذا كان ثابت العزل الكهربائي معادلة المواد غير معروف. في هذه الحالة، وحساسية تجويف يجب الحصول إما عن طريق النمذجة reflالمعلمات ection من تجويف باستخدام الترددات العالية محاكاة الكهرومغناطيسية 14، أو باستخدام رقيقة (<1 ميكرون) معايرة العينة التي لديها تحميل مماثل في تجويف كما العينة تحت الاختبار. إذا لا يمكن قياس حساسية تجويف، فمن الممكن للحصول على قياسات نسبية ذات معنى (على سبيل المثال بوصفها وظيفة من شدة أو الطول الموجي) واستخراج المعلومات الحيوية.

قياسات التنقل AC قد تكون عدة أوامر من حجم أعلى من تلك التي حصلت عليها القياسات العاصمة الكثير من الوقت الرحلة (TOF) أو قياسات الصور CELIV. على سبيل المثال، ويهيمن على التنقل العاصمة المصفوفات البوليمر بواسطة وسائل النقل المشترك بين سلسلة، مما أدى إلى أوامر حركية حجم أصغر من أن الحصول عليها باستخدام TRMC 17. وذلك لأن قياسات العاصمة تسفر عن الحركة الفعالة من خلال الجهاز، في حين التنقلات AC هي التنقلات الجوهرية للمادة، غير متأثرتفاعلات المواد اللاصقة، أو اضطرابات من سرعة الانجراف الحرارية من حاملات الشحنة بسبب الفولتية قيادة كبيرة. ويمكن استخدام العاصمة وميلان القياسات التنقل جنبا إلى جنب لتحقيق نقل المسؤول من خلال الأجهزة الضوئية أو الانارة الكهربائية: القياسات TRMC توضيح آليات النقل تهمة الناقل الجوهرية، بينما القياسات العاصمة يمكن استخدامها لتحديد آلية النقل المهيمنة من المواد في الجهاز.

ملحق مفيد جدا لهذه التجربة TRMC هو إضافة وقت حل الإعداد معان ضوئي لمراقبة اضمحلال حاملات الشحنة عبر إعادة التركيب المباشر. وبهذه الطريقة، وقياس PL يمكن استخدامها للتمييز بشكل لا لبس فيه مسار إعادة التركيب مباشرة من آليات تسوس الأخرى التي تساهم في تسوس TRMC، وبشكل ملحوظ تسريع الإجراء المناسب.

وهناك العديد من ملحقات لتقنية TRMC. على سبيل المثال، التي يسببها الميدان TRMC، التي TRMC قنينةيتم تنفيذ rements على جهاز بموجب تحيز الحقل الكهربائي والتي توفر حقن الدولة المطرد للناقلات، يمكن استخدامها لتحقيق مواقع فخ بينية في الجهاز 18.

بعض القيود المفروضة على تقنية TRMC يمكن التغلب عليها من خلال مقارنة عدة عينات.

على سبيل المثال في حين أن قياس TRMC واحد لا يميز بين الإلكترون وثقب التنقلات، فمن الممكن مقارنة عينة أنيق مع عينة وضعت في إلكترون أو ثقب طبقة قبول 3. بالإضافة إلى ذلك، TRMC لا يمكن استخدامها للتمييز بين السطح أو الفخاخ السائبة، ومع ذلك فمن الممكن أن يقارن unpassivated مقابل عينات مخملة تحدد مساهمة الفخاخ السطح لعملية تسوس بوساطة فخ 6. بدلا من ذلك، يمكن أن تستخدم سلسلة من الأفلام رقيقة مع زيادة سماكة لتحديد ما إذا كان هناك سطح / حجم نسبة الاعتماد على الكثافة الفخ.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics