Recombinatie Dynamiek in dunne-film Photovoltaic Materials via Tijdopgeloste Magnetron geleidbaarheid

Published 3/06/2017
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
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!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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

Werkwijze voor het onderzoeken recombinatie dynamiek van foto-geïnduceerde ladingsdragers in halfgeleiders dunne film, met name in fotovoltaïsche materialen zoals organo-Loodhalide perovskieten gepresenteerd. De perovskiet laagdikte en absorptiecoëfficiënt worden in eerste instantie gekenmerkt door profilometrie en UV-VIS absorptie spectroscopie. Kalibratie van zowel laservermogen en holle gevoeligheid beschreven. Een protocol voor het uitvoeren Flash-fotolyse Tijdopgeloste microgolfgeleiding (TRMC) experimenten, een contactloze werkwijze voor het bepalen van de geleidbaarheid van een materiaal wordt gepresenteerd. Werkwijze voor het identificeren van de werkelijke en imaginaire componenten van het complex geleiding bij het uitvoeren TRMC als functie van de microgolf frequentie wordt gevormd. Ladingsdragers dynamiek worden bepaald onder verschillende excitatie regimes (met inbegrip van zowel kracht en golflengte). Technieken voor het onderscheid tussen directe en-trap gemedieerde rottingsprocessen gepresenteerd en besproken.Resultaten worden gemodelleerd en uitgelegd aan de hand van een algemene fotogeïnduceerde kinetisch model van ladingsdragers in een halfgeleider. De beschreven technieken zijn toepasbaar op een breed scala van opto materialen, waaronder organische en anorganische fotovoltaïsche materialen, nanodeeltjes en geleidende / halfgeleidende dunne films.

Introduction

Flash-fotolyse-time opgelost magnetron geleidbaarheid (FP-TRMC) houdt toezicht op de dynamiek van de foto-enthousiast ladingdragers op het ns-microseconde tijdschaal, waardoor het een ideaal hulpmiddel voor het onderzoeken van ladingsdragers recombinatie processen. Het begrijpen van de mechanismen van verval fotogeïnduceerde ladingsdragers in halfgeleiders dunne film is van cruciaal belang in een aantal toepassingen, waaronder fotovoltaïsche inrichting optimalisatie. De geïnduceerde carrier levens zijn vaak functies van geïnduceerde carrier dichtheid, excitatiegolflengte, mobiliteit, val dichtheid en de vangst tarief. Deze paper toont de veelzijdigheid van de tijdsopgeloste Microwave geleidbaarheid (TRMC) techniek voor het onderzoeken van een breed scala van carrier dynamische afhankelijkheden (intensiteit, golflengte, magnetron frequentie) en hun interpretaties.

Photogenerated kosten kunnen wijzigen om zowel de reële en imaginaire delen van de diëlektrische constante van een materiaal, afhankelijk van hun mobiliteit en degre e van de bevalling / lokalisatie 1. De geleidbaarheid van een materiaal Vergelijking is evenredig aan de complexe diëlektrische constante

Vergelijking

waar Vergelijking is de frequentie van een microgolf elektrisch veld, Vergelijking en Vergelijking zijn de reële deel van de diëlektrische constante. Zo wordt het reële deel van de geleidbaarheid met betrekking tot het imaginaire deel van de diëlektrische constante, en kan worden naar magnetron absorptie, terwijl het imaginaire deel van de geleidbaarheid (hierna afgekort als polarisatie) houdt verband met een verschuiving van de resonantiefrequentie van het microgolfveld 1.

t "> TRMC biedt verscheidene voordelen boven andere technieken. Bijvoorbeeld, DC fotoconductiviteit metingen lijden aan diverse complicaties van contact brengen van het materiaal met elektroden. Verbeterde recombinatie aan de elektrode / materiaal interface terug injecteren van ladingen via deze interface, en verbeterde dissociatie van excitonen en geminate paren als gevolg van de aangelegde spanning 2 allemaal leiden tot verstoringen in de gemeten mobiliteiten en levens. in tegenstelling TRMC is een elektrodeloze techniek die de intrinsieke mobiliteit van de dragers meet zonder vervormingen als gevolg van de overdracht aan de overkant van de contacten op te laden .

Een belangrijk voordeel van microgolfvermogen als een probe voor carrier dynamics is dat naast het controleren van verval levensduur van ladingsdragers, bederf instrumenten / routes kunnen ook worden onderzocht.

TRMC kan worden gebruikt om het totale mobiliteit 3 en leven bepalentijd 4 van geïnduceerde ladingsdragers. Deze parameters kunnen vervolgens worden gebruikt om onderscheid te maken tussen directe en val bemiddelde recombinatie mechanismen 3, 5. De afhankelijkheid van deze twee afzonderlijke paden verval kan kwantitatief worden geanalyseerd als functie van ladingsdichtheid 3, 5 en excitatie-energie / golflengte 5. De lokalisatie / opsluiting van geïnduceerde dragers kan worden onderzocht door het vergelijken van het verval van de geleidbaarheid versus polariseerbaarheid 5 (imaginaire vs reële deel van de diëlektrische constante).

Bovendien, en misschien nog belangrijker, TRMC kan worden gebruikt te controleren toestanden die als ladingsdrager verval pathways karakteriseren. Oppervlak vallen, bijvoorbeeld, kunnen worden onderscheiden van bulk vallen door vergelijking gepassiveerd vs gepassiveerde monsters 6. Sub-bandgap staten kunnenrechtstreeks onderzocht met behulp van sub-bandgap excitatie-energie 5. Trap dichtheden kan worden afgeleid door het aanbrengen TRMC gegevens 7.

Door de veelzijdigheid van deze techniek is TRMC toegepast op een groot aantal materialen zoals studeren: traditionele dunne film halfgeleiders zoals silicium 6, 8 en TiO 2 9, 10, nanodeeltjes 11, nanobuizen 1, organische halfgeleiders 12, materieel mengsels 13, 14, en hybride fotovoltaïsche materialen 3, 4, 5.

Teneinde kwantitatieve informatie met behulp TRMC verkrijgen, is het cruciaal om nauwkeurig te kunnen bepalen het aantalgeabsorbeerde fotonen voor een bepaalde optische excitatie. Aangezien methoden voor het kwantificeren van de absorptie van dunne films, nanodeeltjes, oplossingen en ondoorzichtige monsters verschillen, worden de monstervoorbereiding en calibratietechnieken hier gepresenteerde speciaal ontworpen voor dunne film monsters. De TRMC meetprotocol gepresenteerd is zeer algemeen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Monstervoorbereiding

Let op: Sommige chemicaliën die worden gebruikt in dit protocol kan gevaarlijk zijn voor de gezondheid. Raadpleeg dan eerst alle relevante veiligheidsinformatiebladen voordat een monster voorbereiding plaatsvindt. Maak gebruik van geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (witte jassen, een veiligheidsbril, handschoenen, etc.) en technische maatregelen (bv glovebox, zuurkast, etc.) bij het hanteren van de perovskiet voorlopers, en oplosmiddelen.

Opmerking: Het doel van deze sectie is een uniforme dikte dunne film op het substraat. Hoewel deze procedure is specifiek voor de organo-Loodhalide perovskiet ontwerp kan worden aangepast voor verschillende monsters en staalvoorbereidingstechnieken zoals opdampen, spincoating en sputteren, enz. De belangrijkste effecten zijn een gelijkmatige dunne film.

  1. Het schoonmaken van het substraat
    1. Plaats het kwarts (of laag ijzergehalte glas) substraat in een ultrasoon badwasmiddel voor 30 min.
    2. Herhaal ultrasone behandeling met ultrapuur water en vervolgens met isopropanol.
    3. Plaats de gereinigde substraten onder stikstof plasma gedurende 30 minuten onmiddellijk vóór de overdracht in een stikstof handschoenkast.
  2. CH 3 NH 3 PBI 3 perovskiet monstervoorbereiding met behulp van de methode interdiffusie 15
    LET OP: de volgende stappen worden uitgevoerd in stikstof dashboardkastje.
    1. Voeg 461 mg van PBI 2 tot een monster flesje, en over te dragen aan een stikstof glovebox.
    2. Voeg 850 pl watervrij dimethylformamide (DMF) aan 150 ui watervrij dimethylsulfoxide (DMSO) om een ​​gemengde 85:15 DMF / DMSO oplosmiddel.
    3. Voeg de PBI 2 aan de DMF / DMSO oplosmiddel en verwarm het mengsel bij 100 ° C onder roeren met een magnetische roerstaaf totdat het PBI 2 volledig is opgelost.
    4. Filter de PBI 2 oplossing door een 0,2 um PTFEfilter in een schoon monsterflesje en terugkeert naar 100 ° C kookplaat.
    5. Los 50 mg van CH 3 NH 3 I in 50 ml watervrij isopropanol.
    6. Verdeel 80 pi van het hete pBI 2 oplossing op het glassubstraat (bij kamertemperatuur) en onmiddellijk draaien op 5000 rpm gedurende 30 s tot een dunne PBI 2 precursor film.
    7. Injecteer 300 ui volume van de CH 3 NH 3 I-oplossing rechtstreeks op het midden van de pBI 2 film en onmiddellijk draaien coat deze oplossing bij 5000 rpm gedurende 30 s.
      LET OP: Deze stap moet uitgevoerd met een enkele vertrouwen afzien van de CH 3 NH 3 I-oplossing worden uitgevoerd. Voorzichtig onbedoelde druppels vermijden aangezien dit beïnvloedt de kwaliteit van de verkregen film.
    8. Plaats het monster op een verwarmingsplaat bij 100 ° C gedurende 2 uur, zodat de precursorfolie kristalliseert in een perovskietstructuur. De resulterende CH 3 NH 3 3 PBI film moet worden smooth, met een spiegelend oppervlak en ongeveer 250 nm dik.
  3. sample inkapseling
    LET OP: deze stap is alleen nodig voor de monsters die last hebben van de atmosferische degradatie.
    1. Los 10 mg van poly (methylmethacrylaat) (PMMA) in 1 mL watervrij chloorbenzeen. Spin laag van het monster met 50 ul van PMMA oplossing bij 1000 rpm gedurende 30 s.

2. Sample karakterisering

  1. Meet de dikte van de monsters
    1. Etch een kleine lijn op een metgezel monster. Scan het oppervlak in de buurt van deze etsen met behulp van een profilometer. Bepaal de filmdikte L.
      LET OP: Het monster moet worden opgeslagen in een lichte gratis (bijvoorbeeld bedekt met aluminiumfolie) zuurstofvrije (bv stikstof) omgeving tot aan gebruik.
  2. Meet het absorptiespectrum
    LET OP: De details van deze meting is afhankelijk van het monster (bv poeders vs opaque films vs semi-transparante films). De volgende werkwijze is ontworpen voor semi-transparante dunne filmmonsters. Het doel van deze sectie is de golflengten van belang vast te onderzoeken (bijv bepalen bandgap, aangeslagen functies, etc.), en berekent een F, fractie van geabsorbeerde fotonen versus invallende fotonen bij elke golflengte van belang.
    1. Het monster substraat (bijv glasplaatje) in het monster houder van een geschikte spectrofotometer. Verslagachtergrond reflectie (R (λ)) en doorlaatbaarheid (T (λ)) spectra volgens de instructies van de fabrikant. Opmerking: a reflectiestandaard zoals BaO 4 kan ook worden gebruikt om een nauwkeurige basislijn verkrijgen.
    2. Vervang het substraat met het monster en de reflectie (R (λ)) en transmissie opnemen (T (λ)) volgens de instructies van de fabrikant. Trek de achtergrond meting om nauwkeurige spectra te verkrijgen.
      LET OP: Voor ondoorzichtige monsters, zoalspectrophotometer met een integrerende bol bevestiging worden gebruikt. De diffuse reflectie wordt gemeten overeenkomstig punt 2.2.1-2 echter het monster wordt geplaatst aan de achterkant van de integrerende bol, volgens instructies van de fabrikant.
    3. Bereken de absorptiecoëfficiënt via:
      Vergelijking
      OPMERKING: Indien d de dikte van de film in cm.
    4. Bereken het aantal geabsorbeerde vs incident fotonen via
      Vergelijking
      LET OP: Zorg ervoor dat de absorptiecoëfficiënt en sample dikte L hebben dezelfde eenheden.
    5. Bepaal golflengten van belang uit het absorptiespectrum door inspectie. Deze kunnen optische overgangen of golflengten onder meer aan de band rand of in de band staart. Let op de F een op elk van deze golflengten.
      Opmerking: De volgende kalibratie processen moeten worden uitgevoerd vlak voor het experiment.

3. Macht van de laser Calibration

LET OP: In deze sectie wordt verwezen naar de optische excitatie schema in figuur 3. Instelbare golflengte lasers zoals OPO vereisen koppeling bij elke golflengte.

  1. Paar de vrije ruimte laser tot een vezel
    LET OP: Als de beschikbare laser is al glasvezel gekoppeld, slaat u deze sectie.
    OPMERKING: Off-axis parabolische spiegel vezel koppelaars zijn achromatische, wat betekent dat alle golflengten invalt op de spiegel gericht op het monsterpunt. Hierdoor kan de vezel worden gekoppeld met de vrije ruimte laser op een golflengte en geen aanpassingen bij elke golflengte vereist. Deze stap moet worden gedaan voordat alle andere metingen worden uitgevoerd
    NB: Het is mogelijk om een ​​TRMC holte en optische opstelling met behulp van een vrije ruimte laser te ontwerpen, maar nauwkeurig en reproduceerbaar karakteriseren van de geabsorbeerde laservermogen iets moeilijker kan zijn.
    1. Stel de invallende golflengte op de gewenste waarde (bijvoorbeeld 750 nm) volgens het protocol van de fabrikant. Voor vaste golflengte lasers, deze stap niet nodig.
    2. Controleer het profiel laserstraal op zichtbare dwarsbalken. Als deze bestaan, gebruiken irissen zodat alleen de centrale Gauss-balk door te geven aan de vezel koppelaar.
    3. Lijn de off-axis parabolische spiegel vezel koppelaar zodat de invallende laserbundel wordt uitgelijnd met de optische as van de spiegel.
    4. Sluit de glasvezelkabel aan de vezel koppelaar en een energiesensor. Hoe groter de vezelkern, hoe meer licht wordt gekoppeld in de vezel. Een 1 mm kern NA 0,48 vezel werkt effectief.
    5. Maximaliseren vezel koppeling op laag vermogen door het bewaken van het uitgangsvermogen van de vezel met de kracht sensor tijdens het aanpassen van de kantelhoek en de hoek van de vezel koppelaar. Optimale koppeling wordt bereikt wanneer de stroom door de sensor gemeten wordt gemaximaliseerd (bijvoorbeeld aanpassingen van de vezel koppelaar kantelhoek resulteren in een lower macht meting)
      Opmerking: Als de uitlijning armen, is het mogelijk om de buitenste mantel van de vezels beschadigen. Een tikkend geluid geeft aan dat een gat wordt verbrand in de bekleding. In dit geval onmiddellijk uitschakelen van de laser en het uitvoeren van een grove uitlijning van de koppeling bij laag vermogen.
    6. Geleidelijk verhogen van de laservermogen en verfijnen van de koppeling zoals in 3.1.5.
  2. Meet holte verlies factor
    NB: Dit deel moet worden uitgevoerd nadat de vezel koppeling procedure beschreven in paragraaf 3.1.
    1. Meet de kracht overgebracht door de vezel met een geschikte kracht sensor. Deze meting wordt uitgevoerd, voordat de vezels in de holte.
    2. Meet de spanning op het monster. Dit is het gemakkelijkst als de holte bestaat uit 4 kwartgolfplaten geschroefd (zie figuur 4). Om dit nauwkeurig en reproduceerbaar te doen, draai de holte, plaats een masker van de omvang van de steekproef houder op het monsterpositie en meet het laservermogen de detector bereikt door het masker.
    3. Bereken de holte verliesfactor wordt door het laservermogen gemeten op de vezel door de kracht gemeten in het monster. Deze meting wordt rekening gehouden met geometrische verliezen alsmede verliezen als gevolg van diffusie componenten in de setup.
    4. Herhaal deze meting voor elke golflengte van belang.

4. Montage van het monster in de holte

  1. Het monster wordt in een Teflon monsterhouder, zodat het monster in het midden van de holte na plaatsing ontworpen.
  2. Plaats de monsterhouder in de holte op een plaats van maximale elektrische veld, met de dunne film tegenover de optische ingang van de holte. Figuur 4 toont een gedetailleerd schema van de holte en monsterhouder.

5. Cavity Gevoeligheid Calibration 14

LET OP: Excess geproduceerde foto ladingvervoerders leiden tot een verandering in de steekproef van de geleidbaarheid Vergelijking (Sm -1) leidt tot een afname van het microgolfvermogen gereflecteerd door de holte Vergelijking . Voor kleine veranderingen in de geleidbaarheid 17, de verandering van microgolfvermogen is proportioneel aan de verandering in geleidbaarheid via een holte gevoeligheidsfactor Vergelijking :
Vergelijking
De wijziging in geleidbaarheid Vergelijking van het monster heeft betrekking op de wijziging in de bulk geleiding Vergelijking via Vergelijking
LET OP: Deze kalibratie is noodzakelijk voor het omzetten van magnetron macht om de mobiliteit carrier op te laden. Wanneer het doelvan de studie is om de dynamiek te vergelijken of relatieve resultaten te verkrijgen, wordt deze kalibratie niet nodig.
LET OP: In deze sectie vindt u in de magnetron detectie setup in figuur 5.

  1. Sluit poort 1 van een netwerkanalysator de circulator invoerpoort 1. Verbind poort 2 van een netwerkanalysator naar het punt in het circuit net voor detectie (bijvoorbeeld met de uitgang van een detectie diode of IQ modulatie detector). Meet de stroom gereflecteerd door de geladen holte (dwz met het ingebrachte monster) als 2-poort S21 meten, teneinde de resonantie curve van het circuit te verkrijgen. 14
    Opmerking: Als de holte niet is afgestemd op de externe magnetron detectieschakeling, wordt de resonantiekromme verschillend voor de zelfstandige holte vs de holte in het circuit. Aldus is het beter om de resonantie niet gemeten als een poort reflectiemeting uit de holte, maar eerder als een 2-port 'reflection' meting thrdoorgedreven de circulatiepomp.
    OPMERKING: De resonantiefrequentie wordt voornamelijk bepaald door de geometrie van de holte gebruikt. Typische resonantiefrequenties voor TRMC worden in X-band (~ 10 GHz) en Q-band (~ 34 GHz), hoewel elk microgolffrequentie kan in principe worden gebruikt. In dit manuscript, maken we gebruik van een holte met een resonantiefrequentie van ~ 6,5 GHz, dat een vergelijkbaar magnetron respons, terwijl een grotere steekproef ruimte in vergelijking met een X-band holte biedt.
  2. Optimaliseer de kwaliteit factor, Vergelijking , Van de holte met de tuning schroef door het observeren van de resonantie dip worden dieper en smaller.
    LET OP: Het optimaliseren van de Q-factor betekent niet noodzakelijk dat het maximaliseren van de Q. Terwijl het verhogen van de Q-factor verhoogt de gevoeligheid, de holte responstijd Vergelijking ook toe. Het kan de voorkeur om de gevoeligheid reduceren tot hogere tijdresolutie te verkrijgen. Indien de Fotogeïnduceerde ladingsdragers de diëlektrische constante van het materiaal aanzienlijk te wijzigen, kan de resonantiefrequentie tijdelijk verschuiven buiten de holte bandbreedte als de Q en resulteert in een vervormde vermogensmeting. In deze gevallen overcoupling de resonator lichtjes kan de nauwkeurigheid van het gereflecteerde vermogen te verbeteren.
  3. Meet en noteer de geoptimaliseerde resonantie curve van het gebruik van een netwerk analyzer zoals beschreven in paragraaf 5.1.1.
  4. Perceel P weerspiegeld / P incident op een lineaire schaal en past de basislijn gecorrigeerde figuur met een Lorentz lineshape, zoals weergegeven in figuur 6.
  5. Bereken de geladen kwaliteitsfactor Vergelijking , via:
    Vergelijking
    LET OP: Indien Vergelijking is de breedte op halve hoogte (FWHM) van de resonantiekromme enatie "src =" / files / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> is de resonantiefrequentie.
  6. Bereken de holte gevoeligheidsfactor A (Ω cm) van de holte 14 via:
    Vergelijking
    waar Vergelijking is de verhouding tussen gereflecteerd en invallend vermogen op de resonantiefrequentie, Vergelijking is de geladen resonantiefrequentie, Vergelijking is de resonantiefrequentie, Vergelijking is de diëlektrische constante van het materiaal bij de resonantiefrequentie, Vergelijking is de permittiviteit van de vrije ruimte (F / cm).
    LET OP: Deze formule gaat uit van de steekproef van de gehele holte vult.
  7. Corrigeer de gevoeligheid factor voor het monster geometry:
    De volgende correctiefactoren gelden voor een dunne film steekproef van grootte [w x B x L], (L << d), in het midden van de holte op z 0 = d / 4 (dat wil zeggen bij de maximale elektrische veld). Hier is L de monsterdikte (cm), a en b zijn de lange en korte zijden van de rechthoekige holte respectievelijk d is de lengte van de holte (cm). De geometrie gecorrigeerde gevoeligheid factor A wordt gegeven door:
    Vergelijking
    waarin C z, C xy de correctiefactoren door onvolledige vulling van de holle ruimte langs de z en xy richting, gegeven door:
    Vergelijking
    Vergelijking

6. Single TRMC Transient Measurement Procedure

  1. Bepaal optimale meting parameters: handmatig signaal te vinden
    LET OP: Pleidooise te verwijzen naar de experimentele schematisch weergegeven in figuur 2 voor het lezen van de volgende onderdelen van het protocol.
    OPMERKING: instellen van de magnetron detectieschakeling kan met de hand of met de juiste software. Kenmerkend voor elk nieuw monster, de meetparameters (zoals resonantiefrequentie microgolfvermogen, triggerpositie en tijdbasis) zijn bekend en worden aangepast voor het identificeren / optimaliseren signaal. Dit wordt meestal handmatig. Als de informatie eenmaal is geïdentificeerd, worden de meetparameters vervolgens in een MATLAB (of ander) script gebruikt om het meetproces automatiseren ingevoerd.
    1. Stem de laser op een golflengte van belang, zoals bepaald in punt 2.2.5.
    2. Als de laser een instelbare vermogensinstelling, stelt het uitgangsvermogen op maximum, volgens instructies van de fabrikant. (Dit kan inhouden handmatig aanpassen van een stroom knop of kan geschieden via software afhankelijk van de laser).
    3. Sluit de (reedsgekoppelde) glasvezelkabel aan een power sensor, en meet het laservermogen doorgelaten door de vezel met behulp van een power meter. De vezel is niet verbonden met de holte in dit stadium.
      Opmerking: Voor zeer korte gepulste lasers, dit vaak best met thermische (gemiddeld vermogen) sensoren plaats diode sensoren, die tijdelijke verzadiging of zelfs diëlektrische doorslag bij zeer hoge vermogens kunnen ondergaan.
    4. Gebruik neutrale dichtheid (ND) filters om het laservermogen verzwakken om het gewenste vermogen.
      NB: het is mogelijk om het vermogen in te stellen op een lager niveau en geen gebruik van filters, maar een meer nauwkeurige macht lezing kan worden verkregen door het meten van een hoog vermogen dan verzwakken.
    5. Bereken N ph, het aantal geabsorbeerde fotonen / cm2 / puls in dit excitatie-intensiteit over:
      Vergelijking
      Vergelijking
    6. Sluit de vezel de holte.
    7. Stel de detectieschakeling zie figuur 5.
      OPMERKING: Een vector netwerk analyzer werd gebruikt om deze metingen uit te voeren; Het is echter mogelijk een alternatieve microgolfdetectie setup, bijvoorbeeld met een magnetron diode als krachtsensor.
    8. Stel de microgolfbron frequentie de resonantiefrequentie van de geladen holte gemeten overeenkomstig punt 5. Voor onze opstelling met de netwerkanalysator, dit omvat waardoor de continue frequenties handmatig invoeren van de frequentie van het uitgangssignaal microgolven.
    9. Stel het magnetronvermogen op 0 dBm.
    10. Trigger het netwerk analyzer (of alternatieve detector) met behulp van de laser. Bepaal de trigger nodig te compenseren aan de stijging van het signaal vast te leggen met een paar microseconden van de 'donkere' signaal voor de laserpuls om te gebruiken als een basis voor de montage. Instellen van de trigger offset naar 1/10 van het signaal lengte werkt goed (bijvoorbeeld als het signaal 100 ps lang, dan is de baseline trekker moeten worden gecompenseerd door 10 microseconden). Dit houdt in het veranderen van de trigger mode op "externe", en het aanpassen van de trigger offset totdat het signaal wordt gevonden.
    11. Stel de tijdsbasis van de netwerkanalysator (of alternatieve detector) zodanig dat de tijdelijke staart is veel langer dan de oorspronkelijke verval. Vaak is er een lange staart die blijft bestaan, zelfs wanneer het verschijnt (op lineaire schaal) dat het signaal vervallen de ruisvloer.
      LET OP: Om te bepalen of de gebruikte tijdsbasis voldoende lang is, noteert een gemiddelde TRMC van voorbijgaande aard en vervolgens plot op een log-log schaal.
  2. Meet ruwe voorbijgaande
    LET OP: Typisch, bij het verkrijgen suites van TRMC gegevens, de meting proces is geautomatiseerd door interfacing met de magnetron bron en de detector. In dit document, heeft een zelfgemaakte MATLAB script gebruikt om de magnetron uitgang (freq, en de macht) in te stellen en ook om de meting acquisitie configureren (meettijd basis, trigger-offset, nummer of gemiddelden).
    1. Als de metingen worden geautomatiseerd, voert de microgolf frequentie en kracht en de verwerving trekker offset en meting tijdbasis die hierboven zijn bepaald in het deel in de experimentscript.
    2. Terwijl voortdurend pulseren van de laser, te meten en vast te leggen een TRMC verval van voorbijgaande aard op een netwerk analyzer (of alternatieve detector). Gemiddeld ten minste 100 sporen (zelfs wanneer de S / N is zeer hoog met een enkel schot meting) ter compensatie van schot tot schot vermogensvariaties in gepulst laser. Als de metingen worden geautomatiseerd, wordt dit gedaan door het uitvoeren van de experimentscript.
      OPMERKING: Averaging nodig zijn om voldoende signaal-ruisverhouding te verkrijgen, in het bijzonder voor monsters met lange, kleine amplitude verval staarten zoals getoond in figuur 7.
      OPMERKING: Omgekeerde transiënten of transiënten met positieve en negatieve 'lobben' kan aangeven dat de microgolf frequentie niet in de holte resonantiefrequentie. Pas de source frequentie totdat het voorbijgaande signaal wordt gemaximaliseerd.
    3. Koppel de vezel uit de holte en de dop op de optische poort. Neem een ​​achtergrondmateriaal met hetzelfde aantal gemiddelden als in de vorige stap, waarbij het monster nog in de resonator, doch niet meer verlicht.
    4. Trek de achtergrond sporen uit het signaal traceren.
  3. Proces ruwe data in de mobiliteit per ladingdrager
    1. Bereken verandering in gereflecteerd vermogen via
      Vergelijking
      LET OP: Indien Vergelijking is de basislijn waarde van de ruwe voorbijgaande (voor verlichting) en Vergelijking is de ruwe data van voorbijgaande aard.
      OPMERKING: Als de detector meet spanning geen stroom (bijv Diode + oscilloscoop), dan is een schaalfactor moet worden opgenomen. De schaalfactor wordt meestal uitgedrukt door de dIODE fabrikant; anders kan worden verkregen door het uitvoeren van een kalibratie van de uitgangsspanning vs ingang magnetron macht.
      Vergelijking
    2. Omzetten van de verandering in de gereflecteerde vermogen om de mobiliteit per ladingsdragers (dwz herschalen van voorbijgaande aard) via:
      Vergelijking
      LET OP: Indien Vergelijking geeft het einde van de laserpuls, Vergelijking de lading van een elektron, Vergelijking is de verhouding tussen de korte en lange afmetingen van de holte en Vergelijking is het aantal geabsorbeerde fotonen per cm2 en Vergelijking (Ω) verband de gereflecteerde p magnetronower de verandering in geleiding Ag. Dit herschalen maakt het mogelijk om een ​​zinvolle vergelijking van TRMC transiënten genomen op verschillende laser bevoegdheden en golflengten.
      NOTITIE: Vergelijking in feite de totale mobiliteit van elektronen en gaten. We kunnen echter geen onderscheid maken tussen deze bijdragen met behulp van TRMC, en daarom hebben we gooien ze samen voor eenvoud.
    3. Monteer de TRMC trace met een geschikt model.
      LET OP: Dit is eenvoudig als de gegevens volgt op een enkele of dubbele exponentiële vorm. Echter de gegevens heeft een eenvoudige vorm kan het nodig zijn de gegevens aanpassen aan een kinetisch model, dat betrokken aanbrengen van de oplossing van een ODE (zie figuur 7). De fitting vergelijking / model wordt geconvolueerd met een instrument responsie functie (bijvoorbeeld Gaussische middelpunt op t = t laser met een breedte die overeenkomt met de reactietijd van het instrument dat de temporele resolutie van de gegevens beperkt.) </ Li>

7. onderzoek naar de reële en imaginaire componenten van de geleidbaarheid

  1. Meten TRMC sporen als functie van de microgolf frequentie probe
    OPMERKING: De (complexe) geleidbaarheid dynamiek kan worden gedeconstrueerd in de echte (geleidbaarheid) en imaginaire (polarisatie) componenten door het nemen van meerdere TRMC sporen bij microgolffrequenties verspreid over de resonantie curve van het geladen holte.
    1. Bepaal de resonantiefrequentie Vergelijking van de holte met het monster in het donker van de S21 holteresonantie curve (zie figuur 6).
    2. Kies x> 20 frequentie punten Vergelijking langs deze resonantiecurve. Deze punten worden gebruikt om een Lorentz functie past, dus het best als er meer punten dichtbij het donker resonantiefrequentie fc (zie Figuur 9).
    3. Stel de excitatie golflengte, afhankelijk van de polarisatie dynamiek van belang (bijvoorbeeld boven bandgap gratis carrier polarisatie, sub-bandgap voor gevangen lading polarisatie).
    4. Stel het laservermogen maximale (dit zal de hoogste S / N-).
    5. Meet de laservermogen van de vezel. Stel de probe microgolf frequentie de resonantiefrequentie van de holte in het donker Vergelijking .
    6. Het verkrijgen van een TRMC trace zoals beschreven in hoofdstuk 6. Herhaal de meting hierboven beschreven op een vaste laser intensiteit Vergelijking .
  2. Frequentie gegevens post-processing: deconstructie in reële deel
    1. Plot TRMC voorbijgaande macht Vergelijking als functie tijd en probe microgolffrequentiees / ftp_upload / 55.232 / 55232eq116.jpg "/>, zie figuur 8.
    2. plot Vergelijking en Vergelijking De TRMC vermogen bij t = 0 en t = eind laserpuls per microgolffrequentie, zie figuur 8.
    3. Voor elk segment in de tijd Vergelijking , De bouw van een resonantie curve Vergelijking .
    4. Breng deze curve met een Lorentziaanse om de resonantiefrequentie te verkrijgen Vergelijking En de resonerende stroom Vergelijking .
    5. plot Vergelijking vs Vergelijking een hysteresis-achtige polar verkrijgenordening evolutie perceel (zie inzet in figuur 8).
    6. Bereken de genormaliseerde frequentie van voorbijgaande aard en van voorbijgaande aard machtsverschuiving via:
      Vergelijking
      Vergelijking
    7. Plot de verandering in resonantiefrequentie Vergelijking , Veranderen in resonantie macht Vergelijking en veranderen krachtblok in de holte middenfrequentie Vergelijking , Zie figuur 10.

8. Intensity Dependent Data Suite

  1. Stem de laser op een golflengte van belang, zoals bepaald in punt 2.2.5.
  2. Stel het laservermogen op maximum.
  3. Meet de laservermogen van de vezel.
  4. Sluit de vezel de holte.
  5. Het verkrijgen van een enkele TRMC voorbijgaande zoals beschreven in hoofdstuk 6.
  6. Plaats een ND-filter ergens tussen de laser en de vezel (of tussen twee irissen, of vlak voor de vezel koppelaar. Bij lasers met vezeloutput moet het ND-filter geplaatst tussen de vezeluitvoer en de holte optische poort).
  7. Bereken en het gewijzigde aantal geabsorbeerde fotonen op te nemen, zoals beschreven in 6.1.5.
  8. Het verkrijgen van een enkele TRMC voorbijgaande zoals beschreven in hoofdstuk 6.
    OPMERKING: als de verzwakking toeneemt, zal het nodig zijn het aantal gemiddelden verhogen.
  9. Herhaal 8,6-8,8 voor zoveel combinaties van ND-filters zoals vereist.
    LET OP: Intensity afhankelijkheden worden vaak waargenomen over verschillende ordes van grootte. Het hoge vermogen limiet wordt door de maximale output laservermogen ingesteld op een bepaalde golflengte. De lage krachtbegrenzing wordt door de gevoeligheid van de detectie Setup.

9. Golflengte Dependent Data Suite

LET OP: In order aan TRMC transiënten bij verschillende golflengten vergelijken, moet de laser worden geijkt elke golflengte zodat vervolgens geïnduceerd dragerconcentratie constant.

  1. Bepaal de golflengte die het maximaal haalbare veroorzaakte ladingsdragers dichtheid N carriers beperkt. Dit kan worden beperkt door de beschikbare laservermogen bij die golflengte of de absorptie-eigenschappen van het monster. Bijvoorbeeld, bij het meten TRMC transiënten bij golflengte verspreid over de hierboven onder en sub-bandgap regime, de lage absorptie bij sub-bandgap golflengtes de maximale ladingsdichtheid beperken.
  2. Bereken het laservermogen nodig is om deze voortdurende verwijzing carrier dichtheid N carriers bij elke golflengte met behulp van het genereren van:
    Vergelijking
  3. Stem de laser om de gewenste golflengte. Stel het laservermogen de berekende 9,2. Sluit de vezel de holte. Het verkrijgen van een enkele TRMC voorbijgaande zoals geschetst inhoofdstuk 6. Herhaal stap 9.3 voor elke golflengte van belang.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De vertegenwoordiger van de hier gepresenteerde resultaten werden verkregen uit een 250 nm CH 3 NH 3 PBI 3 dunnefilmmonster.

De dynamiek van de geleidbaarheid Vergelijking kan worden gerelateerd aan de dynamiek van de ladingsdragers Vergelijking via

Vergelijking

ervan uitgaande dat de ladingdrager mobiliteiten Vergelijking constant in de tijd, ten minste op de tijdschaal van het verval. Gesteld geen recombinatie van de aanvankelijk gevormde ladingsdragers optreedt tijdens de laserpuls, de maximum (end-of-puls) wijziging conductance worden geschreven als:

Vergelijking
Vergelijking

waar Vergelijking de lading van een elektron, Vergelijking is de maximale foto-geinduceerde ladingsdichtheid, Vergelijking is de invallende foton op het monster (fotonen / cm 2), Vergelijking de inwendige kwantumrendement en Vergelijking is de fractie van het invallende licht geabsorbeerd bij een bepaalde golflengte, die kan worden berekend uit het absorptiespectrum (zie Figure 1). De TRMC piek Vergelijking komt dus overeen met de intrinsieke (magnetron) ladingdrager mobiliteit van het monster.

Het is belangrijk op te merken dat de opgegeven geleidbaarheid gemiddelde geleidbaarheid gehele film 14, Vergelijking . De bovenstaande beschrijving gaat uit van een homogeen licht geïnduceerde dragerdichtheid door het monster, die geldig is voor monsters met een laag genoeg optische dichtheid zodat energieverlies in het algemeen uniform door het monster. Terwijl veroorzaakte ladingsdragers inhomogeniteit (die via de Beer-Lambert wet kan worden benaderd) de analyse van de foto-geïnduceerde geleidbaarheid gradiënt compliceert, is het niet heeft geen invloed op de juiste kwantisering van Vergelijking Aangezien de totale verandering in geleiding is independent van de vervoerder concentratie verloop. Evenwel ongelijkmatige dragerconcentratie invloed hogere orde niet-lineaire processen in het monster.

Een algemeen model met directe en one-level-trap-bemiddelde recombinatie wordt onder 7 getoond.

Vergelijking
Vergelijking
Vergelijking

waar Vergelijking zijn het elektron gat en val bevolking, Vergelijking is de generatie tarief, Vergelijking zijn de bimoleculaire recombinatie rate, het tarief vangen en de val recombination tarief respectievelijk. Door toepassing TRMC data met een kinetisch model zoals hierboven beschreven met een gekronkelde Gaussische instrumentresponsie functie, is het mogelijk om niet alleen carrier levens en val dichtheden bepalen, maar ook karakteriseren directe-trap bemiddelde recombinatie processen. Figuur 7 toont een representatief fit met de parameters in tabel 1.

Speciale aandacht moet worden genomen bij het bepalen van de uniciteit van fit parameters. Het is handig als gratis experimenten kunnen worden uitgevoerd om een van de tijdschalen (bijv tijdsopgeloste PL meting kan worden gebruikt om de directe recombinatie verkrijgen valideren.

Als een verval staart in het signaal is, is het van belang gegevens lang genoeg om te vertegenwoordigen deze staart bederf verkrijgen: aanbrengen dezelfde gegevens bijgesneden tot een kortere termijn kan leiden tot different tijdschema. Lage intensiteit verval staarten kan vooral moeilijk om nauwkeurig te passen als de staart verdwijnt in het lawaai verdieping van het instrument.

Voor onze opstelling, wordt de temporele resolutie beperkt door de responstijd van de vector netwerkanalysator, dat een responstijd van ongeveer 60 ns heeft. De Q-factor van de hier gepresenteerde metingen is ongeveer 150, met een overeenkomstige holte reactietijd ca. 7 ns. Voor alternatieve magnetron detectie opstellingen met een snellere responstijd (bijv magnetron diode en oscilloscoop), kan de holte de levensduur van de temporele resolutie te beperken.

De microgolf frequentie afhankelijkheid van TRMC bederf kan worden gebruikt om complexe geleidbaarheid in de werkelijke (geleidbaarheid) en imaginaire (polariseerbaarheid) componenten ontleden. Figuur 8 toont de ruwe TRMC sporen genomen als functie van de sonde microgolffrequentie, overspannen23 frequenties over de resonantie curve van de donkere holte. Aan de linkerkant zijn 3 representatief sporen (raw data). Merk op dat de gegevens gehaald resonantie een vertekend verval profiel worden weergegeven, met een positieve of negatieve lobben, of zelfs raken omgekeerd. Rechts is een 3D weergave microgolfvermogen als een functie van tijd en frequentie P (t, f). Op t = 0, de TRMC basislijnen reconstrueren resonantiekromme van de holte geladen. Een maximale verschuiving van zowel de kracht en de frequentie van de gereflecteerde microgolven plaatsvindt op t ≈ 7 microseconden (end-of-puls).

De dynamische verschuiving van de resonantiecurve van de holte als gevolg van overtollige fotogeïnduceerde ladingsdragers wordt getoond in figuur 9. Deze verschuiving kan wel of niet belangrijk zijn, afhankelijk van de diëlektrische eigenschappen van het materiaal (dat wil zeggen als het complex geleidbaarheid een imaginaire component of niet). Het rode spoor wordt gereconstrueerd vanaf de basislijn TRMC sporen genomenop meerdere frequenties magnetron probe. Dit trace komt overeen met de donkere holte resonantie. De blauwe trace wordt gereconstrueerd uit de end-of-pulse TRMC macht gegrepen op verschillende frequenties. De inzet toont de excursie van de resonantiefrequentie vs resonante stroom tijdens het verval.

Polarisatie dynamiek kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen directe en val bemiddelde recombinatie paden. Figuur 10 toont een deconstructie van een spoor in TRMC bijdragen van de werkelijke en imaginaire componenten van de geleidbaarheid. De rode spoor is TRMC gegevens genomen bij een vaste frequentie Vergelijking De resonantiefrequentie van de donkere holte geladen. Dit is een typisch TRMC meting van complex geleidbaarheid. Het verval van het reële deel van de geleiding (resonerende stroom verkregen bij fitting) uitgezet in het groen traceren. Het verval van de polarisatie (de resonantie frequency) wordt in blauw. De polarisatie verval vertoont een aanzienlijk kleiner verval staart dan de geleidbaarheid verval. Dit impliceert dat bij lange tijden, de ladingsdragers meer bijdragen aan dan ze polarisatie, hetgeen consistent is met verval via gelokaliseerde toestanden ingesloten geleidbaarheid.

Tweede orde interacties van foto-geïnduceerde ladingsdragers kan worden onderzocht via de excitatie-intensiteit afhankelijkheid van ladingsdragers dynamiek. Figuur 11a toont TRMC sporen die bij 530 nm excitatie bij verschillende excitatie- intensiteit verspreid twee orden van grootte, van 12 oktober-14 oktober geabsorbeerde fotonen / cm2. De TRMC sporen vertonen twee verschillende termijnen, met vermelding van de aanwezigheid van twee verschillende mechanismen verval: het snelle verval (die optreedt in de orde van 100 ns) wordt toegeschreven aan directe recombinatie processen, terwijl de lange staart decay wordt toegeschreven aan-trap bemiddelde recombinatie.Terwijl het signaal typisch toeneemt met laservermogen, de mobiliteit Vergelijking van de CH 3 NH 3 PBI 3 perovskiet afneemt met toenemende excitatie-intensiteit, zie figuur 11b. De intensiteit (en dus carrier dichtheid) afhankelijkheid is sub-lineair, met vermelding van de aanwezigheid van hogere orde verval processen.

De afhankelijkheid van ladingsdragers verval paden invallend foton energie (golflengte) wordt getoond in Figuur 12. Golflengten van 530, 750 en 780 nm werden gekozen om de hierboven onder en sub-bandgap regime vertegenwoordigen, zoals bepaald uit het absorptiespectrum (figuur 1). Rekening houdend met de verschillende absorptiecoëfficiënt bij deze golflengten zijn de TRMC sporen genomen laservermogen waardoor een geabsorbeerde foton dichtheid van 5 x 10 12 fotonen / cm 2voor elk spoor. Duidelijk is dat terwijl het verval tijdschema onafhankelijk van excitatiegolflengte, het aantal toegankelijke val toestanden (die bijdragen tot het verval pathway verantwoordelijk voor de lange decay staart) groter te boven bandgap-toestanden dan voor die dicht bij de bandgap.

Figuur 1
Figuur 1: absorptiespectrum van CH NH 3 3 3 PBI. Het absorptiespectrum wordt gebruikt om zowel de spectrale bepaald interessegebied, en voor kalibratie van de geabsorbeerde laservermogen. De bandgap van dit monster is ongeveer 750 nm, met staart staten uit te breiden tot 780 nm. Golflengten van belang kunnen zijn: boven bandgap regime (λ <700 nm), bandgap (λ = 750 nm) en de staart staat gebied (750 nm <λ <780 nm). alsjeblieftklik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2: Algemeen TRMC experimentele schema. Een monster geplaatst in een magnetron holte licht geëxciteerde via de optische excitatie setup, terwijl ze gesondeerd met magnetron detectie circuit. De laser verschaft een trigger voor meting synchronisatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3: Optical setup. Een instelbare golflengte laser wordt gebruikt om optisch excite ladingsdragers in een monster geplaatst in een microgolfholte. Een parabolische spiegel wordt gebruikt voor het koppelen van de vrije ruimte laser in een optische vezel. Neutrale dichtheid filters worden gebruikt om goed gekalibreerde laservermogen serie te verkrijgen. Twee irissen gebruikt dwarsliggers die de vezel bekleding kan beschadigen elimineren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4: microgolfruimte. Rechtsboven: foto van de holte. Linksboven: HFSS holte simulatie toont aan dat het elektrische veld is ongeveer uniform en maximum op het monster positie. Onder: model van de holte. Een klein gaatje in de magnetron korte laat optische toegang tot de holte. Een Teflon diffusor wordt gebruikt om het licht dat op het monster stevig ruimtelijk uniform. Het monster wordt geplaatst in een Teflon monsterhouder bij het maximale elektrische veld positie. Een iris wordt gebruikt om het voorste uiteinde van de holte. Een tuningschroef wordt gebruikt om de Q-factor van de holte te optimaliseren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5: Microwave detectie schema. Een vector netwerkanalysator gebruikt als zowel een microgolfbron en een IQ detector. De uitgang microgolfvermogen is verdeeld in twee paden: een excitatie arm en een arm detectie. De magnetron excitatie gaat door een circulatiepomp in een holte, waarin deze samenwerkt met een monster. Weerspiegeld magnetronvermogen gaat door de circulatiepomp in een versterker voor het invoeren van de detector. Het signaal wordt gesplitst in tweeen, en gemengd met de oorspronkelijke microgolfsignaal (waarbij het in-fasesignaal I) en de andere helft wordt gemengd met de oorspronkelijke microgolfsignaal fase verschoven 90 ° (hetgeen dekwadrature component van het signaal Q). Tenslotte wordt de amplitude van het signaal berekend volgens Vergelijking .

De vector netwerkanalysator kan zowel in tijdsdomein (te verkrijgen TRMC sporen op een vaste frequentie) en frequentiedomein (een steady state S21 holte reflectiecurve verkrijgen), zonder de belasting van de holte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6: Resonance kromme geladen holte. Een lineaire schaal resonantiekromme gebruikt om de holte gevoeligheid te berekenen. De Lorentz fit (blauw) wordt gebruikt om de resonantiefrequentie te extraheren, FWHM bandbreedte en minimum gereflecteerd vermogen R Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 7
Figuur 7: Fit met ODE. Genormaliseerde TRMC trace, fit met een kinetisch model ingewikkeld met een Gauss instrument reactie functie beschrijven van directe en-trap bemiddelde recombinatie processen. De gegevens worden getoond op een log-log plot om het bestaan ​​van een lage amplitude staart verval te markeren. De laserpuls optreedt bij t ≈ 7 x 10 -6 s. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

fit parameter k 2 (cm -1) k T (cm 3 s -1) k R (cm 3 s -1) N T (cm 3)
waarde 6,50 x 10 -10 7,90 x 10 -8 1,10 x 10 -9 1,60 x 10 16

Tabel 1: Fitting parameters. Geschikte parameters van TRMC sporen die bij 530 nm excitatie met 6,4 x 10 14 geabsorbeerd ph / cm 2.

Figuur 8
Figuur 8: Microwave frequentiereeks. Ruwe TRMC sporen genomen als functie van de sonde microgolffrequentie, verspreid over de 23 frequenties resonantiekromme van de donkere holte. Aan de linkerkant zijn 3 representatief sporen (raw data). Op de Rechts is een 3D weergave microgolfvermogen als een functie van tijd en frequentie P (t, f). A t = 0, de TRMC basislijnen reconstrueren resonantiekromme van de holte geladen. Op t ≈ 7 microseconden (end-of-puls), is er een uitgesproken verschuiving van de resonantiecurve. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 9
Figuur 9: licht opgewekte holteresonantiesignaal shift. Resonance curves gereconstrueerd uit TRMC sporen vóór (rood) en net na (blauw) verlichting. De resonantie curve verschuift zowel in amplitude (verandering in real geleidbaarheid) en de frequentie (verandering in denkbeeldige geleidbaarheid). De inzet volgt de evolutie van de resonante stroom vs frequentie tijdens het verval. jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 10
Figuur 10: Decay dynamiek van echte vs imaginaire geleiding. Het rode spoor is TRMC gegevens genomen bij een vaste frequentie f c, de resonantiefrequentie van de donkere holte geladen. Het groene spoor is de verandering in vermogen bij de resonantiefrequentie verkregen uit fitting. De blauwe trace is de verandering in resonantiefrequentie als functie van de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 11
Figuur 11: Intensity series. Links: De intensiteit afhankelijkheid van mobiliteit monster les / ftp_upload / 55.232 / 55232eq74.jpg "/> genomen bij verschillende excitatie golflengten tussen 530 en 780 nm Rechts:... TRMC transiënten genomen als functie van laservermogen ND-filters worden gebruikt om het laservermogen te verzwakken door een bekende hoeveelheid The intensiteit komt overeen met het aantal geabsorbeerde fotonen / cm2. de laserpuls vindt plaats op t ≈ 7 x 10 -6 s. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 12
Figuur 12: Golflengte series. Genormaliseerde TRMC sporen genomen op een vaste foton dichtheid van 5 x 10 12 geabsorbeerde fotonen / cm2 bij excitatie golflengte van 530, 750 en 780 nm. De laserpuls optreedt bij t ≈ 7 x 10 -6 s./ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55232/55232fig12large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Terwijl de TRMC techniek een schat aan informatie over enfotogeïnduceerde ladingsdragers dynamiek kan bieden, is dit een indirecte meting van de geleidbaarheid, en dus zorg moet worden genomen bij het interpreteren van de resultaten. De TRMC techniek meet volledige mobiliteit, en kan niet worden gebruikt om onderscheid te maken tussen elektronen en gaten mobiliteit. De onderliggende aanname dat geleidbaarheid evenredig aan de veranderingen in gereflecteerde vermogen geldt alleen wanneer dat verandering klein (<5%) 16. Bovendien, als de verschuiving in resonantiefrequentie tijdens het verval groot is, dan is de totale (complexe) conductiviteit moet worden ontleed in zijn reële en imaginaire componenten voordat de gegevens kunnen worden geanalyseerd. De TRMC techniek is gevoelig voor veranderingen in het imaginaire deel van de diëlektrische constante, die bijdragen niet alleen elektrische geleidbaarheid, maar ook van diëlektrisch verlies als gevolg van dipool heroriëntatie kan hebben. Deze techniek kan niet worden gebruikt om onderscheid teTussen deze twee mechanismen, en we nemen hier aan dat de elektrische geleidbaarheid is de dominante bijdrage aan de denkbeeldige diëlektrische constante, die een goede aanname voor kristallijne materialen, maar kan niet geldig voor monsters in oplossing.

Om absolute plaats van relatieve metingen te verkrijgen, de TRMC techniek vereist uitgebreide kalibratie. Vooral kalibreren van de optische opstelling de geabsorbeerde fotonen bepalen / invallende fotonen cruciaal nauwkeurige mobiliteiten verkrijgen. In principe is het mogelijk om kwantitatief TRMC vloeibare of poedervormige samples; echter nauwkeurige karakterisering van de opname van deze monsters kan moeilijk zijn.

De kalibratie van de holte gevoeligheidsfactor kan ook moeilijk zijn als de diëlektrische constante Vergelijking van het materiaal bekend. In dat geval moet de holte gevoeligheid hetzij worden verkregen door het modelleren van de reflectie parameters van de holte met behulp van een hoogfrequente elektromagnetische simulator 1, 14, of met een dunne (<1 um) kalibratiemonster die eenzelfde belasting van de holte wanneer het monster onder test. Indien de holte gevoeligheid niet te meten, is het mogelijk om betekenisvolle relatieve metingen te verkrijgen (bijvoorbeeld in functie van de intensiteit of golflengte) en dynamische informatie te extraheren.

AC mobiliteit metingen kunnen verschillende ordes van grootte hoger dan die verkregen door DC metingen liefst time of flight (TOF) of foto-CELIV metingen. Zo wordt de DC mobiliteit van polymeermatrices gedomineerd door inter-keten transport, waardoor de mobiliteit orden van grootte kleiner dan die verkregen met TRMC 17. Dit komt omdat DC metingen op een effectieve mobiliteit door een inrichting, terwijl AC mobiliteit zijn intrinsieke mobiliteiten van het materiaal ongevoeligmateriaalspecifieke contactinteracties of verstoringen van de thermische drift snelheid van ladingsdragers door grote aandrijfvoltages. DC en AC mobiliteit metingen kunnen gecombineerd worden gebruikt voor ladingstransport met fotovoltaïsche of elektroluminescente inrichtingen onderzoeken: TRMC metingen helderen intrinsieke mechanismen ladingsdragertransport, terwijl DC metingen kunnen worden gebruikt om het dominante transportmechanisme van het materiaal identificeren inrichting.

Een zeer nuttige uitbreiding van de TRMC experiment is de toevoeging van een tijdsopgeloste fotoluminescentie opstelling om het verval van ladingsdragers via recombinatie controleren. Zo kunnen de PL meting gebruikt om eenduidig ​​onderscheiden recombinatie route op alle verval mechanismen die de TRMC verval dragen en aanzienlijk versnellen aanpassingsprocedure.

Er zijn diverse uitbreidingen van het TRMC techniek. Bijvoorbeeld, Field geïnduceerde TRMC, waarin TRMC measusingen worden uitgevoerd op een apparaat onder een elektrisch veld voorspanning die een stabiele toestand injectie van dragers verschaffen, kan worden gebruikt om grensvlak vangen sites in de inrichting 18 sonde.

Enkele beperkingen van de TRMC techniek kan worden ondervangen door het vergelijken van meerdere monsters.

Bijvoorbeeld tijdens een meting TRMC geen onderscheid kunnen maken tussen elektronen en gaten mobiliteit, is het mogelijk om een nette monster met een monster geplaatst in een elektron of gat vergelijk accepterende laag 3. Bovendien kan TRMC niet worden gebruikt om onderscheid te maken tussen oppervlak of bulk vallen, maar het is mogelijk te vergelijken gepassiveerde vs gepassiveerd monsters om de bijdrage van oppervlak vallen om de val gemedieerd achteruitgangsproces 6 bepalen. Als alternatief zou een aantal dunne films met de toenemende sterkte worden gebruikt om te bepalen of er een oppervlakte / volumeverhouding afhankelijkheid van de val dichtheid.

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.

    Video Stats