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

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:

 

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

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

Introduction

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

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

Equação

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

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

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

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

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

Devido à versatilidade desta técnica, TRMC foi aplicada ao estudo de uma ampla gama de materiais, incluindo: semicondutores de película fina tradicionais, tais como silício 6, 8 e TiO 2 9, 10, as nanopartículas 11, nanotubos de 1, semicondutores orgânicos 12, misturas de materiais 13, 14 e fotovoltaicos híbrido materiais 3, 4, 5.

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Preparação 1. Amostra

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

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

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

Caracterização 2. Amostra

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

3. Calibração de potência de laser

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

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

4. Montagem da amostra na cavidade

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

5. Cavidade Sensibilidade Calibração 14

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

  1. Ligue a porta 1 de um analisador de rede para a porta de entrada do circulador 1. Ligação porta 2 de um analisador de rede para o ponto do circuito de detecção, pouco antes (por exemplo, para a produção de um díodo de detecção ou detector de modulação IQ). Medir a energia reflectida a partir da cavidade carregado (isto é, com a amostra inserido) como uma medida S21 duas portas, a fim de se obter a curva de ressonância do circuito. 14
    NOTA: Se a cavidade não tem sido acompanhado com o circuito de detecção de microondas externo, a curva de ressonância será diferente para a cavidade stand-alone vs cavidade no circuito. Assim, é melhor para medir a ressonância não como uma medição de reflexão uma porta a partir da cavidade, mas sim como um 2-port thr medição "reflexo"OUGH o circulador.
    NOTA: A frequência de ressonância é principalmente determinada pela geometria da cavidade a ser usada. frequências de ressonância típicas para TRMC são encontrados em banda X (~ 10 GHz) e da banda Q (~ 34 GHz), embora qualquer frequência de microondas pode, em princípio, ser utilizados. Neste artigo, nós usamos uma cavidade com uma frequência de ressonância do ~ 6,5 GHz, o que proporciona uma resposta microondas semelhante e proporcionar um espaço de amostra maior, quando comparado com uma cavidade de banda X.
  2. Otimizar o fator de qualidade, Equação , Da cavidade com o parafuso de ajuste através da observação do mergulho ressonância tornar-se mais profunda e mais estreito.
    NOTA: Otimizando o fator Q não significa necessariamente maximizar o P. Enquanto aumenta o fator Q aumenta a sensibilidade, o tempo de resposta cavidade Equação também aumenta. Pode ser preferível reduzir a sensibilidade para obter maior resolução temporal. Se o portadores de carga foto-induzidas modificar significativamente a constante dieléctrica do material, a frequência de ressonância pode também deslocar temporariamente fora da largura de banda da cavidade, se a Q é grande, resultando em uma medição da potência distorcida. Nestes casos, o ressonador overcoupling ligeiramente pode melhorar a precisão da energia reflectida.
  3. Meça e registre a curva de ressonância otimizada do usando um analisador de rede, conforme descrito no ponto 5.1.1.
  4. Lote P reflectida / incidente P numa escala linear e ajustar o valor corrigido da linha de base com um LineShape Lorentziana, como mostrado na Figura 6.
  5. Calcular o fator de qualidade carregado Equação , através da:
    Equação
    NOTA: Onde Equação é a largura total à meia altura (FWHM) da curva de ressonância eção "src =" / files / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> é a frequência de ressonância.
  6. Calcular o fator de sensibilidade cavidade A (Ω cm) da cavidade através de 14:
    Equação
    Onde Equação é a razão entre a potência incidente reflectido à frequência de ressonância, Equação representa a frequência de ressonância carregado, Equação representa a frequência de ressonância, Equação é a constante dieléctrica do material à frequência de ressonância, Equação é a permissividade do espaço livre (F / cm).
    NOTA: Esta fórmula assume o exemplo preenche toda a cavidade.
  7. Corrigir o fator de sensibilidade para geometr amostraY:
    Os seguintes fatores de correção aplicar para uma amostra de película fina de tamanho [w × w × L], (L << d), centrada na cavidade em z 0 = d / 4 (ou seja, no campo eléctrico máximo). Aqui, L é a espessura da amostra (cm), a e b são os lados longos e curtos da cavidade rectangular, respectivamente, e d é o comprimento da cavidade (cm). A geometria corrigido um fator de sensibilidade é dada por:
    Equação
    onde C z, C xy são os fatores de correção devido a enchimento incompleto do espaço cavidade ao longo da z e direção xy, dada por:
    Equação
    Equação

6. Procedimento de medição Transient TRMC Individual

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

7. Analisar os componentes real e imaginário de Condutividade

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

8. Intensidade Suíte dados dependentes

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

9. Wavelength Suíte dados dependentes

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

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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

A dinâmica da condutividade Equação pode estar relacionada com a dinâmica dos portadores de carga Equação através da

Equação

supondo que as mobilidades dos transportadores de carga Equação são constantes no tempo, pelo menos, na escala de tempo de decaimento. Além disso, assumindo que não há recombinação dos portadores de carga inicialmente formados ocorre durante o impulso de laser, o valor máximo (de fim de pulso) mudança na conductance pode ser escrita como:

Equação
Equação

Onde Equação é a carga de um elétron, Equação representa a máxima densidade de portadores de carga fotoinduzida, Equação é a intensidade incidente na amostra de fotões (fotões / cm2), Equação é a eficiência quântica interna e Equação é a fracção de luz incidente absorvida num determinado comprimento de onda, que pode ser calculado a partir do espectro de absorção (ver FigureE 1). O pico TRMC Equação por conseguinte, corresponde ao intrínseca mobilidade do portador (microondas) carga da amostra.

É importante notar que a condutividade citado é uma condutividade média ao longo do filme 14, Equação . A descrição acima assume uma densidade de portadores fotoinduzida homogénea em toda a amostra, que é válido para as amostras com uma densidade óptica baixo o suficiente para que a dissipação de energia é geralmente uniforme em toda a amostra. Embora não homogeneidade portador de carga induzida (que pode ser aproximado através da lei de Beer-Lambert) complica a análise do gradiente de condutividade fotoinduzida, que não não afecta a quantização da correcta Equação , Uma vez que a variação total na condutância é independent de gradiente de concentração transportadora. No entanto, a concentração de portador não-uniforme pode afectar os processos de ordem superior não lineares presentes na amostra.

Um modelo geral com recombinação directa e de um nível mediada por armadilha é mostrado abaixo de 7.

Equação
Equação
Equação

Onde Equação são as populações buracos de elétrons e armadilha, Equação representa a taxa de geração, Equação são a taxa de recombinação bimolecular, a taxa de captura e a armadilha rtaxa de ecombination respectivamente. Ao ajustar os dados TRMC com um modelo de cinética de tal modo que o descrito acima complicada com uma função de resposta do instrumento Gaussiana, é possível determinar não só vidas transportadora e as densidades de armadilha, mas também caracterizar processos de recombinação directas e mediadas por armadilha. A Figura 7 mostra uma forma representativa, utilizando os parâmetros na Tabela 1.

Um cuidado especial deve ser tomado na determinação da singularidade de parâmetros de ajuste. É útil se experiências complementares podem ser realizados para validar uma das escalas de tempo (por exemplo, o tempo de medição resolvida PL podem ser utilizados para obter a taxa de recombinação directa.

Se uma cauda decadência está presente nos dados, é importante para a obtenção de dados para o tempo suficiente para representar com precisão esta deterioração da cauda: Encaixe os mesmos dados cortada para um prazo mais curto pode resultar em diprazos fferent. caudas de decaimento de baixa intensidade pode ser especialmente difícil para se ajustar com precisão se a cauda desaparece no piso de ruído do instrumento.

Para essa configuração, a resolução temporal é limitado pelo tempo de resposta do analisador de rede vector, que tem um tempo de resposta de cerca de 60 ns. O factor Q para as medições aqui apresentados é de cerca de 150, com um tempo de resposta cavidade correspondente de aprox. 7 ns. Para configurações de detecção de microondas alternativos, com um tempo de resposta mais rápido (por exemplo diodo microondas e osciloscópio), o tempo de vida cavidade pode limitar a resolução temporal.

A dependência de freqüência de microondas de TRMC decaimento pode ser usado para desconstruir condutividade complexo em sua real (condutividade) e os componentes imaginários (polarizabilidade). A Figura 8 mostra os vestígios TRMC matérias tomadas como uma função da frequência de sonda de micro-ondas, que mede23 frequências ao longo da curva de ressonância da cavidade escuro. À esquerda são 3 traços representativos (dados brutos). Note que os dados retirados de ressonância pode exibir um perfil de decaimento distorcida, com os lóbulos positivos ou negativos, ou mesmo tornar-se invertido. À direita está uma representação em 3D de energia de microondas como uma função de tempo e frequência P (t, f). Em t = 0, as linhas de base TRMC reconstruir a curva de ressonância da cavidade carregada. Uma mudança máxima em tanto o poder ea frequência das microondas reflectidas ocorre em t ≈ 7 mS (fim-de-pulso).

A mudança dinâmica na curva de ressonância da cavidade, como resultado de portadores de carga foto-induzido em excesso é mostrado na Figura 9. Esta mudança pode ou não ser significativa, dependendo das propriedades dieléctricas do material (ou seja, se a condutividade complexo tem um componente imaginária ou não). O traço vermelho é reconstruída a partir da linha de base de traços TRMC tomadasem múltiplas frequências de microondas de sonda. Este traço corresponde à ressonância da cavidade escura. O traço azul é reconstruída a partir do poder TRMC fim-de-pulso tomada em múltiplas frequências. A inserção mostra a excursão da frequência de ressonância vs poder de ressonância durante o decaimento.

dinâmica de polarização pode ser usada para distinguir entre diferentes vias de recombinação directas e mediadas por armadilha. A Figura 10 mostra uma desconstrução de um traço TRMC em contribuições dos componentes reais e imaginários da condutividade. O traço vermelho está dados TRMC tomada em uma frequência fixa Equação , A frequência de ressonância da cavidade escuro carregado. Este é um típico de medição de condutividade TRMC complexo. A decadência da parte real da condutividade (poder ressonante obtido a partir de montagem) é plotado no rastreamento verde. O decaimento da polarização (a frequencia de ressonânciay) é mostrado em azul. A decadência de polarização apresenta uma cauda deterioração significativamente menor que o decaimento da condutividade. Isto implica que em tempos longos, os portadores de carga estão contribuindo mais para a condutividade, então eles estão à polarização, o que é consistente com a decadência via estados presas localizadas.

interações de segunda ordem de portadores de carga foto-induzidas podem ser investigados através da dependência intensidade de excitação da dinâmica transportadores de carga. A Figura 11a mostra vestígios TRMC tomadas a 530 nm de excitação a várias intensidades de excitação abrangendo duas ordens de grandeza, a partir de 10 12-10 14 absorvidas fotões / cm2. Os vestígios TRMC apresentam duas escalas de tempo distintas, indicando a presença de dois mecanismos de degradação distintas: O decaimento rápido (que ocorre na ordem de 100 ns) é atribuída a processos de recombinação directos enquanto que o tempo de decaimento da cauda é atribuída a recombinação mediada por armadilha.Enquanto o sinal normalmente aumenta com o aumento da potência do laser, a mobilidade Equação de CH 3 NH 3 PBI 3 perovskita diminui com o aumento da intensidade de excitação, tal como mostrado na Figura 11b. A dependência da intensidade (e portanto densidade de transportador) é sub-linear, indicando a presença de processos mais elevados de decaimento ordem.

A dependência da carga vias de decaimento transportadora sobre a energia incidente fotão (comprimento de onda) é mostrado na Figura 12. Os comprimentos de onda de 530, 750 e 780 nm foram escolhidas para representar o regime acima, inter e sub-banda proibida, tal como determinado a partir do espectro de absorção (Figura 1). Tendo em conta os diferentes coeficientes de absorção nestes comprimentos de onda, os traços TRMC foram tomadas em potências de laser que resultou em uma densidade de fótons absorvidos de 5 × 10 12 fótons / cm2para cada traço. É claro que, embora as escalas de tempo de decaimento são independentes do comprimento de onda de excitação, o número de estados de armadilhas acessíveis (que contribuem para a via decaimento responsável pela cauda decadência longa) é maior para os estados band-gap acima, então para aqueles perto do bandgap.

figura 1
Figura 1: Espectro de Absorção de CH 3 NH 3 PBI 3. O espectro de absorção é usado para ambos determinam a área espectral de interesse, bem como para a calibração da potência do laser absorvida. O bandgap desta amostra é de cerca de 750 nm, com os estados de cauda que se estende até 780 nm. Comprimentos de onda de interesse podem incluir: acima regime bandgap (λ <700 nm), bandgap (λ = 750 nm) e região do estado de cauda (750 nm <λ <780 nm). Por favorclique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2: General TRMC esquema experimental. A amostra colocada em uma cavidade de microondas é fotoexcitado por meio da configuração de excitação óptica, enquanto está a ser sondado com circuitos de detecção de micro-ondas. O laser fornece um gatilho para a sincronização de medição. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3: configuração óptica. Um laser de comprimento de onda ajustável é usado para portadores de carga opticamente excite em uma amostra colocada numa cavidade de microondas. Um espelho parabólico é usado para acoplar o laser espaço livre para uma fibra óptica. Os filtros de densidade neutros são usadas para obter séries de potência do laser bem calibrada. Dois íris são utilizados para eliminar o cruzamento de raios que podem danificar o revestimento de fibra. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4: cavidade de microondas. Superior direito: Foto da cavidade. Em cima à esquerda: simulação cavidade HFSS mostra que o campo eléctrico é aproximadamente uniforme e máxima na posição amostra. Parte inferior: O modelo da cavidade. Um pequeno furo no curto microondas permite o acesso óptico para dentro da cavidade. Um difusor de Teflon é usado para assegurar a luz incidente sobre a amostra é espacialmente uniforme. A amostra é colocada num suporte de amostra de Teflon na posição máxima do campo eléctrico. Uma íris é utilizado para definir a extremidade dianteira da cavidade. A tuningparafuso é utilizado para optimizar o factor Q da cavidade. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5: Microondas esquema de detecção. Um analisador de rede vector é usada como uma fonte de microondas e de um detector de QI. A potência das microondas de saída é dividido em dois caminhos: um braço de excitação e um braço de detecção. A excitação de microondas passa através de uma bomba de circulação para uma cavidade, onde interage com uma amostra. energia de microondas reflectida passa através da bomba de circulação para um amplificador antes de entrar no detector. O sinal é dividido em duas, e a outra metade é misturado com o sinal original microondas (produzindo o sinal em-fase I) e a outra metade é misturado com a fase do sinal original é deslocado por microondas 90 ° (produzindo ocomponente de quadratura do sinal Q). Finalmente, a amplitude do sinal é calculado através Equação .

O analisador de rede vector pode ser utilizado tanto no domínio do tempo (para obter TRMC traça a uma frequência fixa) e no domínio da frequência (para se obter uma curva de estado S21 cavidade reflexão constante), sem alterar a carga sobre a cavidade. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6: curva de ressonância da cavidade carregada. Uma curva de ressonância escala linear utilizado para calcular o factor de sensibilidade cavidade. O ajuste de Lorentz (azul) é usado para extrair a frequência de ressonância, FWHM largura de banda e mínima potência refletida R Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7
Figura 7: Fit com ODE. trace TRMC normalizada, ajuste com um modelo cinético complicada com uma função de resposta do instrumento Gaussian descrevendo processos de recombinação direta e mediada por armadilha. Os dados são mostrados em um gráfico log-log para destacar a existência de uma deterioração cauda baixa amplitude. O pulso de laser ocorre em t ≈ 7 × 10 -6 s. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

parâmetro de ajuste K 2 (cm -1) k T (cm 3 s -1) k R (cm 3 s -1) N T (cm 3)
valor 6,50 x 10 -10 7,90 x 10 -8 1,10 x 10 -9 1,60 × 10 16

Tabela 1: Montagem parâmetros. Parâmetros de ajuste de TRMC traço feita a 530 nm de excitação com 6,4 x 10 14 pH absorvida / cm 2.

Figura 8
Figura 8: Série de freqüência de microondas. vestígios TRMC primas tomado como uma função da frequência de sonda de micro-ondas, que mede 23 frequências ao longo da curva de ressonância da cavidade escuro. À esquerda são 3 traços representativos (dados brutos). No direita é uma representação em 3D de energia de microondas como uma função de tempo e frequência P (t, f). A t = 0, as linhas de base TRMC reconstruir a curva de ressonância da cavidade carregada. Em t ≈ 7 mS (fim-de-pulso), há uma mudança acentuada na curva de ressonância. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9
Figura 9: mudança de ressonância da cavidade fotoinduzida. curvas de ressonância reconstruídos a partir TRMC traça antes (vermelho) e logo depois (azul) iluminação. A curva de ressonância desloca tanto em amplitude (alteração na condutividade real) e de frequência (alteração na condutividade imaginária). A inserção acompanha a evolução do poder de ressonância vs frequência durante o decaimento. jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 10
Figura 10: Dinâmica decadência da verdadeira vs condutividade imaginário. O traço vermelho é dados TRMC tomadas com uma freqüência fixa f c, a frequência de ressonância da cavidade escura carregado. O traço verde é a mudança no poder na frequência de ressonância, obtido a partir de montagem. O traço azul é a mudança na frequência de ressonância como uma função do tempo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 11
Figura 11: Intensidade série. Esquerda: A dependência da intensidade da mobilidade amostra les / ftp_upload / 55232 / 55232eq74.jpg "/> colhidas em diversos comprimentos de onda de excitação entre 530 e 780 nm Direita:... transientes TRMC tomado como uma função da potência do laser ND filtros são usados ​​para atenuar a potência do laser por uma quantidade conhecida A intensidade corresponde ao número de fótons absorvidos / cm 2. o pulso de laser ocorre em t ≈ 7 × 10 -6 s. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 12
Figura 12: Comprimento de onda série. Vestígios TRMC normalizados medidos a uma densidade fotónica fixa de 5 × 10 12 absorvida fotões / cm2 no comprimento de onda de excitação de 530, 750 e 780 nm. O pulso de laser ocorre em t ≈ 7 × 10 -6 s./ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55232/55232fig12large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Embora a técnica TRMC pode oferecer uma riqueza de informações sobre a dinâmica dos transportadores de carga fotoinduzidos, esta é uma medida indireta da condutividade, e, portanto, cuidado deve ser tomado na interpretação dos resultados. A técnica mede TRMC total mobilidade, e não pode ser usado para distinguir entre electrões e mobilidades furo. O pressuposto subjacente que a condutividade é proporcional à mudança na potência refletida detém apenas quando essa mudança é pequena (<5%) 16. Além disso, se a mudança na frequência de ressonância durante o decaimento é grande, então o total (complexo) de condutividade terá que ser desconstruído em seus componentes reais e imaginários antes que os dados podem ser analisados. A técnica TRMC é sensível a mudanças na parte imaginária da constante dieléctrica, a qual pode ter contribuições não só a partir de condutividade eléctrica, mas também a partir de perda dieléctrica, devido à reorientação do dipolo. Esta técnica não pode ser utilizada para distinguirentre estes dois mecanismos, e assumimos aqui que a condutividade elétrica é a contribuição dominante para a constante dielétrica imaginário, que é uma boa hipótese para materiais cristalinos, mas pode não ser válida para amostras em solução.

A fim de obter medições absolutas em vez de relativos, a técnica requer grande TRMC calibração. Em particular, a calibração da configuração óptica para determinar os fótons absorvidos / fótons incidentes é crucial para obter mobilidades precisos. Em princípio, é possível usar TRMC quantitativa em amostras líquidas ou em pó; No entanto caracterização precisa da absorção destas amostras pode ser difícil.

A calibração de sensibilidade do factor de cavidade pode também ser difícil se a constante dieléctrica Equação do material é desconhecida. Neste caso, a sensibilidade da cavidade deve ser obtida quer através da modelação da reflparâmetros exão da cavidade utilizando um simulador de alta frequência electromagnética 1, 14, ou utilizando uma amostra de calibração fina (<1 um), que tem uma carga semelhante na cavidade como a amostra sob teste. Se a sensibilidade de cavidade não pode ser medido, é possível obter medições relativas significativos (por exemplo, como uma função da intensidade ou comprimento de onda) e extrair informação dinâmica.

medições de mobilidade de corrente alternada pode ser várias ordens de magnitude maior do que aqueles obtidos por medições de corrente contínua tanto quanto tempo de voo (TOF) ou medições foto-CELIV. Por exemplo, a mobilidade das matrizes poliméricas CC é dominado por transporte inter-cadeias, que conduz a uma mobilidade ordens de grandeza menor do que a obtida usando TRMC 17. Isto é porque as medições DC produzir uma mobilidade eficaz por meio de um dispositivo, enquanto que as mobilidades de corrente alternada são mobilidades intrínseca do material, não afectada porinterações material de contato, ou perturbações da velocidade de deriva térmica de portadores de carga devido a grandes tensões de condução. DC e AC medições de mobilidade podem ser usados ​​em conjunto para investigar o transporte de carga por meio de dispositivos fotovoltaicos ou electro-luminescentes: medições TRMC elucidar mecanismos de transporte de portador de carga intrínsecas, enquanto que as medições de corrente contínua pode ser utilizada para identificar o mecanismo de transporte dominante do material em um dispositivo.

Uma extensão muito útil para o experimento TRMC é a adição de uma configuração de fotoluminescência resolvida no tempo para monitorizar o decaimento dos portadores de carga através de recombinação directa. Deste modo, a medição PL podem ser utilizados para distinguir inequivocamente a via recombinação directa a partir de outros mecanismos de degradação, que contribuem o decaimento TRMC, e acelerar significativamente o procedimento de ajuste.

Existem várias extensões para a técnica TRMC. Por exemplo, campo induzido TRMC, em que TRMC measuexigên- são realizados num dispositivo com uma polarização do campo eléctrico, que fornecem uma injecção de estado estacionário de transportadores, podem ser utilizadas para sondar sítios armadilha interfaciais no dispositivo 18.

Algumas das limitações da técnica TRMC pode ser superado através da comparação várias amostras.

Por exemplo, enquanto uma única medição TRMC não pode distinguir entre electrões e mobilidades buracos, é possível comparar uma amostra pura com uma amostra colocada num furo de electrões ou aceitar camada 3. Além disso, TRMC não pode ser usado para distinguir entre a superfície ou armadilhas em massa, no entanto, é possível comparar as amostras vs unpassivated passivados para determinar a contribuição de armadilhas de superfície para o processo de decomposição mediada por armadilha 6. Alternativamente, uma série de películas finas com espessura crescente pode ser utilizado para determinar se existe uma relação de dependência superfície / volume na densidade de armadilhas.

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