Rekombinasjon Dynamics i Thin-film Photovoltaic Materialer via Time-løst Mikrobølgeovn konduktivitet

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

En metode for å undersøke rekombinasjon dynamikk foto-indusert ladningsbærere i tynnfilm halvledere, spesielt i fotovoltaiske materialer som organo-bly halogen perovskitter er presentert. Perovskitt filmtykkelse og absorpsjon koeffisient er i utgangspunktet preget av profilometri og UV-VIS absorpsjon spektroskopi. Kalibrering av både lasereffekten og hulrom følsomhet er beskrevet i detalj. En protokoll for å utføre Flash-fotolyse tidsoppløste Mikrobølgeovn Ledningsevne (TRMC) eksperimenter, en ikke-kontaktmetode for bestemmelse av ledningsevnen av et materiale, er presentert. En fremgangsmåte for å identifisere de reelle og imaginære komponenter av den komplekse ledningsevnen ved å utføre TRMC som en funksjon av mikrobølgefrekvens er gitt. Charge bære dynamikk bestemmes under ulike eksitasjon regimer (inkludert både strøm og bølgelengde). Teknikker for å skille mellom direkte og felle-mediert forfall prosesser blir presentert og diskutert.Resultatene er modellert og tolket med henvisning til en generell kinetisk modell av fotoindusert ladningsbærere i en halvleder. Teknikkene som er beskrevet kan anvendes på et bredt spekter av optoelektroniske materialer, blant annet organiske og uorganiske fotoelektriske materialer, nanopartikler, og gjennomfører / halvledende tynne filmer.

Introduction

Flash-fotolyse tids løst mikrobølgeovn konduktivitet (FP-TRMC) overvåker dynamikken i foto spent ladningsbærere på NS-uS tidsskala, noe som gjør det til et ideelt verktøy for å undersøke kostnad bære rekombinasjonsprosesser. Forstå forfallet mekanismene for foto indusert ladningsbærere i tynn film halvledere er av sentral betydning i en rekke applikasjoner, inkludert photovoltaic enhet optimalisering. De induserte bære levetid er ofte funksjoner av indusert transportøren tetthet, eksitasjon bølgelengde, mobilitet, felle tetthet og fangst rate. Denne artikkelen viser allsidigheten Time Løst Mikrobølgeovn konduktivitet (TRMC) teknikk for å undersøke et bredt spekter av bære dynamiske avhengigheter (intensitet, bølgelengde, mikrobølgeovn frekvens) og deres tolkninger.

Fotogenererte kostnader kan endre både den virkelige og imaginære delene av dielektrisitetskonstanten for et materiale som, avhengig av deres mobilitet og degre e av innesperring / lokalisering 1. Ledningsevnen av et material ligning er proporsjonal med den komplekse dielektrisitetskonstanten

ligning

hvor ligning er frekvensen av en mikrobølge elektrisk felt, ligning og ligning er de reelle og imaginære deler av den dielektriske konstant. Dermed er den reelle delen av ledningsevnen relatert til den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten, og kan kartlegges på mikrobølge absorpsjon, mens den imaginære del av ledningsevnen (i det følgende referert til som polarisering) er knyttet til en forskyvning av resonansfrekvensen av mikrobølgeovn felt 1.

t "> TRMC tilbyr flere fordeler i forhold til andre teknikker. For eksempel, DC Photoconductivity målinger lider av en rekke komplikasjoner som oppstår fra kontakt med materialet med elektrodene. Forbedret rekombinasjon ved elektrode / materialet grensesnitt, tilbake injeksjon av ladninger gjennom dette grensesnittet, såvel som forbedret dissosiasjon av excitons og geminate parene på grunn av den påtrykte spenningen to alle føre til skjevheter i de målte bære mobiliteter og levetid. i motsetning til dette er TRMC en elektrodeløs teknikk som måler den indre mobiliteten av bærerne uten forvrengninger som skyldes lade overføring over kontaktene .

En vesentlig fordel med å bruke mikrobølgeeffekt som en sonde for carrier dynamikk er at, i tillegg til overvåking av forfallet levetid på ladningsbærere, forfallet mekanismer / veier kan også bli undersøkt.

TRMC kan brukes til å bestemme det totale mobilitet 3 og livettiden 4 av indusert ladningsbærere. Disse parametrene kan deretter brukes til å skille mellom direkte og felle-mediert rekombinasjon mekanismer 3, 5. Avhengigheten av disse to separate svekkings trasé kan kvantitativt analyseres som en funksjon av bære tetthet 3, 5 og eksitasjonsenergi / bølgelengde 5. Lokalisering / innesperring av induserte bærere kan undersøkes ved å sammenligne forfallet av ledningsevne vs polarizability 5 (imaginær vs reell del av dielektrisk konstant).

I tillegg, og kanskje viktigst, TRMC kan brukes til å karakterisere felle stater som opptrer som ladningsbærere forfall veier. Overflate feller, for eksempel, kan skilles fra bulk feller ved å sammenligne passivated vs unpassivated prøver 6. Sub-bandgap stater kanvære direkte undersøkt ved hjelp av sub-bandgap eksitasjon energier 5. Trap tettheter kan utledes ved å montere TRMC data 7.

På grunn av allsidigheten av denne teknikken, har TRMC blitt anvendt for å studere et bredt spekter av materialer, inkludert: tradisjonelle tynnfilm halvledere slik som silisium 6, 8 og TiO 2 9, 10, nanopartikler 11, nanorør 1, organiske halvledere 12, materialblandinger 13, 14, og hybrid fotovoltaiske materialer 3, 4, 5.

For å oppnå kvantitativ informasjon ved hjelp av TRMC, er det viktig å være i stand til å nøyaktig bestemme antallav absorbert fotoner for en gitt optisk eksitasjon. Siden metoder for å kvantifisere absorpsjon av tynne filmer, nanopartikler, løsninger og ugjennomsiktig prøver forskjellig, blir prøveopparbeidelse og kalibrerings teknikkene som presenteres her er utformet spesielt for tynne filmprøver. Imidlertid er TRMC måleprotokollen presentert veldig generelt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøvepreparering

Forsiktig: Noen kjemikalier som brukes i denne protokollen kan være helseskadelig. Ta kontakt med alle relevante sikkerhetsdatablad før noen prøveopparbeidelse foregår. Utnytte egnet personlig verneutstyr (lab strøk, vernebriller, hansker, etc.) og ventilasjonssystemer (f.eks hanskerom, avtrekkshette, etc.) ved håndtering av perovskitt forløpere, og løsemidler.

MERK: Hensikten med denne seksjon er å danne en jevn tykkelse tynn film på substratet. Selv om denne fremgangsmåten er spesifikk for den organo-bly halogenid perovskitt-prøven, kan det bli endret for en rekke prøver og prøveprepareringsteknikker inkludert dampavsetning, spinnbelegging og sputtering, etc. Det viktige resultatet er en ensartet tynn film.

  1. Rengjøring av underlaget
    1. Plasser kvarts (eller lavt jern glass) substrat i et ultralydbadav vaskemiddel i 30 minutter.
    2. Gjenta ultrasonisk behandling med ultrarent vann, og deretter med isopropanol.
    3. Plasser rengjorte underlag under nitrogen plasma i 30 minutter umiddelbart før overføring til et nitrogen hanskerommet.
  2. CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt prøveopparbeidelse bruker interdiffusjon metode 15
    Merk: Følgende trinn utføres i nitrogen hanskerommet.
    1. Legg 461 mg av PBI 2 til et prøveglass, og overføre til en nitrogen hanskerommet.
    2. Legg 850 mL vannfritt dimetylformamid (DMF) og 150 ul av vannfritt dimetylsulfoksyd (DMSO) til fra et blandet 85:15 DMF / DMSO oppløsningsmiddel.
    3. Tilsett PBI 2 til DMF / DMSO løsningsmiddel og oppvarme blandingen ved 100 ° C under omrøring med en magnetisk rørestav inntil PBI 2 er helt oppløst.
    4. Filtrer PBI to løsningen gjennom et 0,2 mikrometer PTFEfiltrere inn i en ren prøve ampulle, og returnere til 100 ° C varmeplate.
    5. Oppløs 50 mg av CH 3 NH 3 I i 50 ml vannfri isopropanol.
    6. Dispensere 80 ul av den varme PBI 2 løsningen på glassubstratet (ved romtemperatur) og umiddelbart rotere ved 5000 rpm i 30 s for å danne en tynn PBI 2 forløper film.
    7. Injisere et 300 ul volum av CH 3 NH 3 I-løsningen direkte på sentrum av den PBI 2 film, og straks spinne belegge denne løsningen ved 5000 rpm i 30 s.
      MERK: Dette trinnet bør utføres med et enkelt trygg tappe av CH 3 NH3 jeg løsningen. Vær forsiktig for å unngå utilsiktede drypper da dette påvirker kvaliteten på den resulterende film.
    8. Plasser prøven på en varmeplate ved 100 ° C i 2 timer, slik at forløperfilmen krystalliserer til en perovskitt struktur. Den resulterende CH 3 NH 3 PBI 3 film bør være smooth, med en speilblank overflate og ca 250 nm tykk.
  3. Eksempel innkapsling
    MERK: Dette trinnet er bare nødvendig for prøver som lider av atmosfærisk nedbrytning.
    1. Oppløs 10 mg poly (metylmetakrylat) (PMMA) i 1 ml vannfri klorbenzen. Spin belegge prøven med 50 ul av PMMA-løsning ved 1000 rpm i 30 s.

2. Prøve Karakterisering

  1. Mål prøven tykkelse
    1. Etse en liten linje på en følges prøve. Skann overflaten i nærheten av dette etch bruker en profilometer. Bestem filmtykkelse L.
      MERK: Prøven bør lagres i en lys gratis (f.eks dekket i aluminiumsfolie) oksygenfri (f.eks nitrogen) miljø til alt er klart til bruk.
  2. Mål absorpsjonsspektrum
    MERK: Detaljene i denne målingen varierer avhengig av prøven (f.eks pulver vs opaque filmer vs semi-transparente filmer). Følgende prosedyre er utformet for semi-transparent tynnfilm prøver. Målet med denne delen er å bestemme bølgelengder av interesse å undersøke (f.eks bestemme band-gap, excitonic funksjoner, osv), og å beregne F a, brøkdel av absorberte fotoner vs innfallende fotoner på hver bølgelengde av interesse.
    1. Plasser prøven substratet (for eksempel glass-slide) i prøveholderen av et egnet spektrofotometer. Record bakgrunn refleksjon (R (λ)) og transmisjon (T (λ)) spektra i henhold til produsentens anvisninger. Merk: en reflektans standard, for eksempel BaO 4 kan også benyttes for å oppnå en nøyaktig grunnlinjen.
    2. Skift underlaget med prøven og registrere refleksjon (R (λ)) og transmisjon (T (λ)) i henhold til produsentens anvisninger. Trekk bakgrunnen måling for å få nøyaktig spektra.
      MERK: For ugjennomsiktig prøver, sompectrophotometer med en integrerende sfære vedlegg må brukes. Den diffuse refleksjon måles i avsnitt 2.2.1-2, men prøven må plasseres i på baksiden av å integrere sfære, i henhold til produsentens anvisninger.
    3. Beregn absorpsjon koeffisient via:
      ligning
      MERK: hvor d er tykkelsen av filmen i cm.
    4. Beregn antall absorbert vs innfallende fotoner via
      ligning
      MERK: Pass på at absorpsjon koeffisient og prøvens tykkelse L de samme enhetene.
    5. Bestemme bølgelengder av interesse fra absorpsjonsspekteret ved inspeksjon. Disse kan inkludere optiske overganger eller bølgelengder på bandet kanten eller i bandet halen. Legg merke til F en ved hver av disse bølgelengdene.
      MERK: Følgende kalibreringsprosessene bør utføres rett før eksperimentet.

3. Laserstrømkalibrerings

MERK: I denne seksjonen finner du den optiske eksitasjon skjematisk i Figur 3. Tunbare bølgelengde lasere som Opos krever kopling ved hver bølgelengde.

  1. Par fri-plass laser inn i en fiber
    MERK: Hvis den tilgjengelige laser er allerede fiber kombinert, hopp over denne delen.
    MERK: off-axis parabolske speil fiber koplere er akromatisk, hvilket innebærer at alle bølgelengder som faller inn på speilet er fokusert til prøvepunktet. Som et resultat, kan fiberen bli koblet til det frie rom laser ved en bølgelengde, og som ikke krever justeringer på hver bølgelengde. Dette trinnet bør gjøres før eventuelle andre målinger er utført
    MERK: Det er mulig å utforme en TRMC hulen og optisk oppsett ved hjelp av en ledig plass laser, men nøyaktig og reproduserbart karakteriserer absorbert lasereffekten kan være litt vanskeligere.
    1. Sett hendelsen bølgelengde til ønsket verdi (f.eks 750 nm) som per produsentens protokoll. For lasere fast bølgelengde, er dette trinnet unødvendig.
    2. Sjekk laserstrålen profil for synlige tverrbjelker. Hvis disse finnes, bruker iris slik at bare den sentrale Gaussian bjelken sende til fiber coupler.
    3. Justere en off-axis parabolske speil fiberkopler, slik at den innfallende laserstrålen er på linje med den optiske akse av speilet.
    4. Koble den optiske fiber til fiberkopler, og til en kraftsensor. Jo større fiberkjernen, kan jo mer lys blir koplet inn i fiberen. En 1 mm kjerne NA 0,48 fiber fungerer effektivt.
    5. Maksimere fiber koplingen ved lav effekt ved å overvåke utgangseffekten av fiberen med kraftsensoren samtidig justering av tippevinkelen og av den fiberkopler. Optimal kopling oppnås når strømmen målt av sensoren blir maksimalisert (dvs. eventuelle justeringer av fiberkopler hellingsvinkelen resultat i en lower strøm måling)
      MERK: Hvis justerings er dårlig, er det mulig å skade den ytre kledningen av fiberen. En tikkende lyd indikerer at et hull blir brent i kledningen. I dette tilfellet, må du slå av laseren og utføre en grov justering av Coupler ved lav effekt.
    6. Gradvis øke laser makt og avgrense koplingen som i 3.1.5.
  2. Mål hulrom tapsfaktor
    MERK: Denne delen skal utføres etter fiber koblingsprosedyren beskrevet i pkt 3.1.
    1. Måle den effekt som sendes gjennom fiberen ved hjelp av en passende kraftføler. Denne målingen blir utført før tilkobling av fiberen inn i hulrommet.
    2. Mål strømmen på prøven. Dette er enklest dersom hulrommet består av 4 kvartbølgeplater skrudd sammen (se figur 4). For å gjøre dette nøyaktig og reproduserbart, skru hulrommet, plasserer en maske størrelsen på prøveholderen på prøvenposisjon og måle lasereffekt nå frem til detektoren gjennom masken.
    3. Beregn hulrom tapsfaktor ved å dele den lasereffekten målt ved fiberen ved den kraft målt ved prøven. Denne målingen tar hensyn til geometriske tap samt tap på grunn av diffusiv komponenter i oppsettet.
    4. Gjenta denne målingen for hver bølgelengde av interesse.

4. Montering av prøven inn i hulrommet

  1. Plasser prøven i en Teflon prøveholder, utformet slik at prøven er sentrert i hulrommet når satt inn.
  2. Sett prøveholder inn i hulrommet ved et sted med maksimal elektrisk felt, med den tynne film vendt mot den optiske inngangen av hulrommet. Figur 4 viser et detaljert skjema av hulrommet og prøveholderen.

5. Cavity Følsomhet Kalibrering 14

MERK: Overflødig bilder generert kostnadbærere føre til en endring i prøveledningsevne ligning (Sm-1) som resulterer i en reduksjon i den mikrobølge effekt som reflekteres fra hulrommet ligning . For små endringer i konduktivitet 17, er endringen i mikrobølgeeffekt er proporsjonal med endringen i ledningsevne via et hulrom følsomhetsfaktor ligning :
ligning
Endringen i ledningsevne ligning av prøven er knyttet til forandringen i bulk-konduktans ligning via ligning
MERK: Denne kalibreringen er nødvendig for å konvertere mikrobølgeovn strøm til å lade carrier mobilitet. Hvis måletmed studien er å sammenligne dynamikk eller skaffe relative resultater, er dette kalibrering ikke nødvendig.
MERK: I denne seksjonen finner du i mikrobølgedeteksjon oppsettet i figur 5.

  1. Koble en port av et nettverk analysator til sirkulator-inngangsporten 1. Koble port 2 av et nettverk analysator til et punkt i kretsen like før deteksjon (for eksempel til utgangen fra en deteksjons diode eller IQ-modulasjon detektor). Mål effekt som reflekteres fra det belastede hulrom (dvs. med den innsatte prøven) som en to-port S21 måling, for å oppnå den resonanskurven for kretsen. 14
    MERK: Hvis hulrommet ikke har blitt matchet med den eksterne mikrobølgeovn deteksjonskretsen, vil resonans kurven være forskjellig for den frittstående hulrom vs hulrommet i kretsen. Dermed er det bedre å måle resonans ikke som en en-port refleksjonsmåling fra hulrommet, men snarere som en to-port refleksjons 'måling through sirkulasjonspumpen.
    MERK: Resonansfrekvensen er i hovedsak bestemt av geometrien av hulrommet som brukes. Typiske resonansfrekvenser for TRMC er funnet i X-båndet (~ 10 GHz) og Q-bånd (~ 34 GHz), selv om en hvilken som helst mikrobølgefrekvensen kan i prinsippet anvendes. I dette manuskriptet, bruker vi et hulrom med en resonansfrekvens på ~ 6,5 GHz, noe som gir et tilsvarende mikrobølgerespons samtidig som den gir et større utvalg plass sammenlignet med en X-bånd hulrom.
  2. Optimalisere kvaliteten faktor, ligning , Av hulrommet med avstemningsskruen ved å observere resonans dip blir dypere og smalere.
    MERK: Optimalisere Q-faktoren betyr ikke nødvendigvis å maksimere Q. Mens øke Q-faktoren øker følsomheten, hulrommet responstid ligning øker også. Det kan være å foretrekke for å redusere følsomheten for å oppnå høyere tidsoppløsning. Dersom fotoinduserte ladningsbærere i betydelig grad endre dielektrisitetskonstanten av materialet, kan resonansfrekvensen også temporært forskyves utenfor hulrommet båndbredden hvis Q er stor, noe som resulterer i en forvrengt effektmåling. I slike tilfeller kan overkopling resonatoren litt forbedre nøyaktigheten av den reflekterte effekt.
  3. Mål og registrere optimalisert resonans kurven av å bruke et nettverk analysator som beskrevet i avsnitt 5.1.1.
  4. Plot P reflekterte / P som faller inn på en lineær skala, og de passer til grunnlinjen rettet figuren med en Lorentzian lineshape, som vist i figur 6.
  5. Beregn lastet kvalitet faktor ligning , Via:
    ligning
    MERK: Hvor ligning er den fulle bredde ved halvt maksimum (FWHM) på resonanskurven ogasjon "src =" / files / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> er resonansfrekvens.
  6. Beregn hulrommet følsomhetsfaktor A (Ω cm) av hulrommet via 14:
    ligning
    hvor ligning er forholdet mellom reflektert til innfallende effekt ved resonansfrekvensen, ligning er lastet resonansfrekvens, ligning er resonansfrekvensen, ligning er dielektrisitetskonstanten av materialet ved resonansfrekvensen, ligning er permittiviteten ledig plass (F / cm).
    MERK: Denne formelen forutsetter utvalget fyller hele hulrommet.
  7. Korriger følsomhet faktor for prøve geometry:
    Følgende korreksjonsfaktorer søke om en tynn film prøve av størrelse [w × B × L] (L << d), sentrert i hulrommet ved z 0 = d / 4 (dvs på maksimal elektrisk felt). Her, L er prøvens tykkelse (cm), a og b er de lange og korte sider av den rektangulære kavitet, henholdsvis, og d er lengden av hulrommet (cm). Geometrien korrigerte følsomhetsfaktor A er gitt ved:
    ligning
    hvor C-z, C xy er korreksjonsfaktorer som skyldes ufullstendig fylling av hulrommet plass langs z og xy retning, gitt ved:
    ligning
    ligning

6. Enkelt TRMC Transient målingsprosedyre

  1. Bestem optimale måleparametere: manuelt finne signal
    MERK: Please referere til den eksperimentelle skjematisk vist i figur 2 før du leser følgende avsnitt av protokollen.
    MERK: sette opp mikrobølgedeteksjonskretsen kan gjøres enten for hånd eller ved hjelp av den aktuelle programvaren. Typisk for hver ny prøve, blir måleparameterne (slik som resonansfrekvensen, mikrobølgeeffekt, trigger posisjon og tid-base) er ukjente og må tilpasses for å identifisere / optimalisere signal. Dette gjøres vanligvis manuelt. Så snart signalet er blitt identifisert, blir måleparametrene deretter inn i en MATLAB (eller annen) skript som brukes for å automatisere målingen.
    1. Tune laseren til en bølgelengde av interesse, som fastsatt i § 2.2.5.
    2. Hvis laseren har en justerbar effektinnstilling, sette utgangseffekt til maksimum, i henhold til produsentens instruksjoner. (Dette kan innebære å manuelt justere en strømbryteren eller kan gjøres via programvare avhengig av laser).
    3. Koble (alleredekombinert) optisk fiber til en strømsensor, og måle laser makt overført gjennom fiber ved hjelp av en kraftmåler. Fiberen er ikke koblet til hulrommet på dette stadiet.
      MERK: For svært korte pulserende lasere, er dette ofte gjøres best ved hjelp av termisk (gjennomsnittlig effekt) sensorer i stedet for diode sensorer, som kan gjennomgå time metning eller dielektrisk sammenbrudd ved svært høye krefter.
    4. Bruk nøytrale tetthet (ND) filtre for å dempe laser makt til en ønsket effektnivå.
      MERK: Det er mulig å sette kraft til et lavere nivå, og ikke bruke filtre, men en mer nøyaktig strøm lesing kan oppnås ved å måle en høy effekt da demping.
    5. Beregn N ph, antall absorberte fotoner / cm 2 / puls ved denne eksiteringen intensitet via:
      ligning
      ligning
    6. Koble fiberen til hulrommet.
    7. Sett opp deteksjonskretsen, som vist i figur 5.
      MERK: En vektor nettverk analysator ble brukt til å utføre disse målingene; men det er mulig å bruke en alternativ mikrobølgedeteksjonsoppsett, for eksempel ved anvendelse av en mikrobølgediode som en kraftsensor.
    8. Sett mikrobølgekilde frekvensen til resonansfrekvensen lastet hulrom, målt i § 5. For vår setup bruker nettverket analysator, innebærer dette muliggjør kontinuerlig frekvens utgang og manuelt skrive inn frekvens av utgangsmikrobølger.
    9. Sett mikrobølgeeffekten til 0 dBm.
    10. Utløse nettverket analysator (eller alternativt detektor) ved bruk av laser. Bestem trigger offset er nødvendig for å fange opp økningen av signalet med noen få mikrosekunder av "mørk" signal før laserpuls for å bruke som en basis for montering. Stille trigger offset til 1/10 av signalet lengden fungerer godt (for eksempel hvis signalet er 100 ms lang, så den baseline trigger må forskyves 10 mikrosekunder). Dette innebærer endring triggermodus til "ytre", og justering av avtrekkeren forskjøvet til signalet er funnet.
    11. Juster timebase av nettverket analysator (eller alternativt detektor) slik at den forbigående halen er mye lenger enn den initiale nedbrytning. Ofte er det en lang hale som vedvarer selv når den kommer opp (på en lineær skala) at signalet har avtatt til støynivå.
      MERK: For å finne ut om tidsbase brukes er lang nok, ta en gjennomsnittlig TRMC forbigående og deretter plotte på en log-log skala.
  2. Mål rå transient
    MERK: Vanligvis når du skaffer suiter TRMC data, er målingen prosessen automatiseres ved grensesnitt med mikrobølgekilde og detektor. I denne artikkelen har en hjemmelaget MATLAB script blitt brukt til å stille inn mikrobølgeeffekt (freq, og strøm) og også til å konfigurere måling oppkjøpet (tidsmåling base, trigger offset, nummer of gjennomsnitt).
    1. Hvis målingene er automatisert, innspill mikrobølgefrekvens og kraft samt oppkjøpet trigger offset og måling tid base som er bestemt i avsnittet ovenfor i forsøket script.
    2. Mens kontinuerlig pulserende laser, måle og registrere en TRMC forfall forbigående på et nettverk analysator (eller alternativ detektor). Gjennomsnittlig minst 100 traser (selv om S / N er meget høy, med et enkelt skudd måling) for å kompensere for skudd-til-skudd effektvariasjoner i den pulserende laser. Dersom målingene er automatisert, er dette gjort ved å utføre eksperimentet skriptet.
      MERK: Averaging kan være nødvendig for å oppnå tilstrekkelig signal-til-støy, spesielt for prøver med lange, små amplitude decay haler slike som vist i Figur 7.
      MERK: Inverted transienter, eller transienter med positive og negative "lapper", kan tyde på at mikrobølgefrekvens er ikke i hulrommet resonansfrekvens. Juster source frekvens til forbigående signal er maksimert.
    3. Koble fra fiberen fra hulrommet og hetten den optiske port. På denne bakgrunn å lese med det samme antall gjennomsnitt som i det foregående trinn, med prøven fortsatt i resonatoren, men ikke lenger blir belyst.
    4. Trekk bakgrunnen spor fra signalet spor.
  3. Bearbeide rådata til mobilitet per ladningsbærer
    1. Beregn endring i reflektert strøm via
      ligning
      MERK: Hvor ligning er basisverdien av den rå forbigående (før belysning) og ligning er den rå flyktig data.
      MERK: Hvis detektoren måler spenningen ikke kraft (f.eks Diode + oscilloskop), deretter en skaleringsfaktor må inkluderes. Skaleringsfaktoren er vanligvis sitert av dIode produsenten; ellers kan den oppnås ved å utføre en kalibrering av utgangsspenningen Vs inngangsmikrobølgeeffekt.
      ligning
    2. Konverter endringen i reflekteres makt til mobilitet per lading bærer (dvs. skalere transient) via:
      ligning
      MERK: Hvor ligning svarer til slutten av laserpulsen, ligning er ansvarlig for et elektron, ligning er forholdet mellom de korte og lange dimensjoner av hulrommet og ligning er antall absorberte fotoner per cm 2 og ligning (Ω) som er relatert til det reflekterte mikrobølge power til endringen i ledningsevne ΔG. Dette oppskalering gir mulighet for meningsfylt sammenligning av TRMC transienter tatt på forskjellige laser krefter og bølgelengder.
      MERK: ligning er faktisk den totale mobilitet av elektron og hull. Men vi kan ikke skille mellom disse bidragene hjelp TRMC, og derfor har vi klumpe dem sammen for enkelhet.
    3. Monter TRMC spor med en passende modell.
      MERK: Dette er enkelt hvis dataene følger en enkel eller dobbel eksponentiell form. Men det dataene har en enkel form kan det være nødvendig å tilpasse dataene til en kinetisk modell, som involverte montering av en oppløsning av ODE (se figur 7). Beslaget ligning / modellen skal konvolvert med en instrumentresponsfunksjon (f.eks Gaussisk sentrert ved t = t laser med en bredde som tilsvarer responstiden for instrumentet som begrenser tidsoppløsningen av dataene.) </ Li>

7. Gransker den reelle og imaginære komponenter av konduktivitet

  1. Måling av TRMC spor som en funksjon av mikrobølgefrekvensen sonde
    MERK: (komplekse) ledningsevne dynamikk kan dekonstruert i den virkelige (ledningsevne) og imaginære (polarisering) komponenter ved å ta flere TRMC spor i mikrobølgeovn frekvenser som spenner over resonans kurven av lastet hulrom.
    1. Bestemme resonansfrekvensen ligning av hulrommet med prøven i mørket fra S21 hulrom resonanskurve (se figur 6).
    2. Velg x> 20 frekvenspunkter ligning langs denne resonans kurven. Disse punktene vil bli brukt til å passe en Lorentzian funksjon, slik at det er best at det er flere punkter nær den mørke resonansfrekvensen f c (se Figur 9).
    3. Sett eksitasjon bølgelengde avhengig av polariserings dynamikken av interesse (f.eks ovenfor bandgap gratis carrier polarisering, sub-bandgap for fanget ladningspolarisasjon).
    4. Still lasereffekt til maksimum (dette vil gi den høyeste S / N).
    5. Mål lasereffekten ut av fiberen. Still sonden mikrobølgefrekvensen til resonansfrekvensen for hulrommet i mørket ligning .
    6. Skaff en TRMC spor som beskrevet i kapittel 6. Gjenta målingen beskrevet ovenfor til en fast laser intensitet for ligning .
  2. Frekvens data etterbehandling: dekonstruksjon inn reelle og imaginære deler
    1. Plot TRMC transient strøm ligning som en funksjon tid og sonde mikrobølgefrekvenses / ftp_upload / 55232 / 55232eq116.jpg "/>, som vist i Figur 8.
    2. Plott ligning og ligning Den TRMC effekt ved t = 0 og t = ved slutten av laserpuls for hver enkelt mikrobølgefrekvens, som vist i figur 8.
    3. For hver skive i gang ligning Konstruere en resonans kurve ligning .
    4. Passer denne kurve med en Lorentzian for å oppnå resonans-frekvensen ligning , Og resonansstrøm ligning .
    5. Plott ligning vs ligning for å oppnå en hysterese-lignende polarvisualisering evolusjon tomten (se innfelt i Figur 8).
    6. Beregn normalisert transient frekvens og forbigående power shift via:
      ligning
      ligning
    7. Plotte endringen i resonansfrekvensen ligning Endre i resonans makt ligning og endre i forbigående effekt ved hulrommet senterfrekvensen ligning Som vist i figur 10.

8. Intensitet Suite avhengige data

  1. Tune laseren til en bølgelengde av interesse, som fastsatt i § 2.2.5.
  2. Sett laser makt til maksimum.
  3. Mål lasereffekten ut av fiberen.
  4. Koble fiberen til hulrommet.
  5. Skaff en enkelt TRMC transient som beskrevet i kapittel 6.
  6. Sette inn en ND filter hvor som helst mellom laseren og den fiber (enten mellom to iris, eller like før fiberkopler. For lasere med en fiber-utgang, må ND filteret plasseres mellom fiberutgangs og hulrommet optisk port).
  7. Beregne og registrere den endrede antall absorberte fotoner som beskrevet i 6.1.5.
  8. Skaff en enkelt TRMC transient som beskrevet i kapittel 6.
    MERK: som demping øker, vil det bli nødvendig å øke antall gjennomsnitt.
  9. Gjenta 08.06 til 08.08 for så mange kombinasjoner av ND filtre etter behov.
    MERK: Intensity avhengigheter er ofte observert over flere størrelsesordener. Den høye effektgrense er bestemt av den maksimale utgangslasereffekt ved en gitt bølgelengde. Den lave effektgrense settes av følsomheten for påvisning oppsett.

9. Wavelength Suite avhengige data

MERK: I order å sammenligne TRMC transienter ved forskjellige bølgelengder, må laseren kalibreres ved hver bølgelengde, slik at så indusert bærerkonsentrasjon er konstant.

  1. Bestem bølgelengden som begrenser den maksimale oppnåe indusert ladningsbærertetthet N bærere. Dette kan være begrenset av lasereffekten tilgjengelig på den bølgelengde eller ved absorpsjon egenskapene til prøven. For eksempel, når man måler TRMC transienter på bølgelengder som strekker seg over den ovennevnte, inter og sub-båndgap regime, vil lav absorpsjon ved sub-bandgap bølgelengder begrense den maksimale bære tetthet.
  2. Beregn laser makt er nødvendig for å generere denne konstant referansebære tetthet N operatører på hver bølgelengde ved hjelp av:
    ligning
  3. Tune laseren til den ønskede bølgelengde. Sett laser makt til verdien beregnet i 9.2. Koble fiberen til hulrommet. Skaff en enkelt TRMC transient som skissert i§ 6. Gjenta trinn 9.3 for hver bølgelengde av interesse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De representative resultater som er presentert her ble oppnådd fra en 250 nm CH 3 NH 3 PBI 3 tynn film prøven.

Dynamikken i ledningsevne ligning kan relateres til dynamikken i ladningsbærere ligning via

ligning

forutsatt at de charge carrier mobilitet ligning er konstante i tid, i det minste på tidsskalaen av forråtnelsen. Videre forutsatt ingen rekombinasjon av de opprinnelig dannede ladningsbærere skjer i løpet av laserpulsen, maksimum (end-of-puls) endring i conductance kan skrives som:

ligning
ligning

hvor ligning er ansvarlig for et elektron, ligning er den maksimale fotoindusert ladningsbærertetthet, ligning er innfallende fotonintensiteten på prøven (fotoner / cm 2), ligning er den interne kvanteeffektivitet og ligning er fraksjonen av innfallende lys absorberes ved en gitt bølgelengde, som kan beregnes fra den absorpsjonsspektrum (se Figure 1). Den TRMC topp ligning Derfor svarer til den indre (mikrobølgeovn) ladningsbærermobilitet av prøven.

Det er viktig å merke seg at den angitte ledningsevnen er en gjennomsnittlig ledningsevne gjennom hele filmen 14, ligning . Beskrivelsen ovenfor forutsetter en homogen fotoindusert bærertettheten gjennom hele prøven, som er gyldig for prøver med en tilstrekkelig lav optisk tetthet, slik at energitap er generelt ensartet i hele prøven. Mens indusert ladningsbærer inhomogeneity (som kan tilnærmes via Beer-Lamberts lov) kompliserer analysen av fotoindusert ledningsevne gradient, betyr det ikke påvirker ikke riktig kvantisering av ligning , Ettersom den totale forandringen i konduktans er independent av transportør konsentrasjonsgradient. Imidlertid kan ikke-uniform carrier konsentrasjon påvirker høyere ordens lineære prosesser i utvalget.

En generell modell med direkte og ett-nivå felle-mediert rekombinasjon er vist under 7.

ligning
ligning
ligning

hvor ligning er elektron hull og felle bestander av, ligning er den generasjonen rente, ligning er bimolecular rekombinasjon rente, fangst hastighet og fellen recombination rente hhv. Ved å tilpasse TRMC data med en kinetisk modell slik som den som er beskrevet ovenfor, sammenrullet med et gaussisk instrumentresponsfunksjon, er det mulig å ikke bare bestemme bære levetid og felle tettheter, men også karakterisere direkte og felle-mediert rekombinasjon prosesser. Figur 7 viser et representativt tilpasning ved hjelp av parametrene i tabell 1.

Spesiell forsiktighet bør utvises i å bestemme det unike fit parametere. Det er nyttig hvis frie eksperimenter kan utføres for å validere en av de tidsrammer (for eksempel tidsoppløst PL måling kan anvendes for å oppnå den direkte rekombinasjon hastighet.

Hvis en forråtnelse hale er til stede i dataene, er det viktig å fremskaffe data for lenge nok til nøyaktig å representere denne hale forråtnelse: varer med de samme data beskjæres til en kortere tidsskala kan resultere i different tidsrammer. Lav intensitet decay haler kan være spesielt vanskelig å passe nøyaktig hvis halen forsvinner inn i støygulvet av instrumentet.

For vår oppsett, er det tidsmessige oppløsningen begrenset av responstiden til vektor nettverk analysator, som har en responstid på ca 60 ns. Q-faktoren for målingene er presentert her er omtrent 150, med et tilsvarende hulrom responstid på ca.. 7 ns. For alternative mikrobølgeovn deteksjons oppsett med en raskere responstid (f.eks mikrobølgeovn diode og oscilloskop), kan hulrommet levetid begrense tidsoppløsning.

Den mikrobølgefrekvensavhengighet av TRMC forråtnelse kan brukes til å deconstruct kompleks ledningsevne i sin virke (ledningsevne) og imaginære (polarizability) komponenter. Figur 8 viser de rå TRMC traser tatt som en funksjon av sondemikrobølgefrekvens, som strekker seg23 frekvenser på tvers av resonanskurven for den mørke hulrom. På venstre er 3 representative spor (rådata). Merk at data tatt av resonans kan vise et forvrengt forfall profil, med positive eller negative lapper, eller selv bli invertert. På høyre side er et 3D-bilde av mikrobølgeeffekt som en funksjon av tid og frekvens P (t, f). Ved t = 0, er TRMC linjene rekonstruere resonanskurven for den belastede hulrom. En maksimal forskyvning i både kraft og frekvensen av de reflekterte mikrobølger opptrer ved t ≈ 7 us (end-of-puls).

Den dynamiske skiftet i resonanskurven for hulrommet som et resultat av overskytende fotoindusert ladningsbærere er vist i figur 9. Dette skiftet kan eller ikke kan være betydelig, avhengig av de dielektriske egenskapene til materialet (dvs. hvis kompleks ledningsevne har en imaginær komponent eller ikke). Den røde spor er rekonstruert fra baseline på TRMC spor tattpå flere mikrobølge probe frekvenser. Dette spor svarer til den mørke hulrom resonans. Den blå strek rekonstrueres fra slutt-på-puls TRMC kraft tatt ved flere frekvenser. Det innfelte viser ekskursjon for resonansfrekvensen vs resonant kraft i løpet av forfall.

Polariserings dynamikk kan brukes til å skille mellom direkte og felle-mediert rekombinasjon veier. Figur 10 viser et rivingen av en TRMC spor i bidrag fra de reelle og imaginære komponenter av ledningsevne. Den røde spor er TRMC data tatt på en fast frekvens ligning , Resonansfrekvensen til den mørke lagt i hulrommet. Dette er en typisk TRMC måling av kompleks ledningsevne. Nedbrytning av den reelle delen av konduktiviteten (resonans strøm oppnådd fra montering) er opptegnet i den grønne kurven. Nedbrytning av polarisasjonen (resonansFrekvensy) vises i blått. Polariseringen forfall viser en betydelig mindre forfall hale enn ledningsevnen forfall. Dette innebærer at ved lange tider, er ladningsbærere bidrar mer til ledningsevne da de er til polarisering, som er konsistent med forfall via lokaliserte fanget stater.

Andre ordens interaksjoner av foto indusert ladningsbærere kan undersøkes via eksitasjon intensitet avhengighet fritt bære dynamikk. Figur 11a viser TRMC spor tatt ved 530 nm eksitasjon ved ulike eksitasjon intensitet som spenner over to størrelsesordener, fra 10 12-10 14 absorberte fotoner / cm 2. De TRMC sporene oppviser to forskjellige tidsrammer, som indikerer tilstedeværelse av to distinkte desintegrasjons mekanismer: Den raske nedbrytning (som forekommer i størrelsesorden 100 ns) blir knyttes til direkte rekombinasjonsprosesser mens den lange halen nedbrytning skyldes trap-mediert rekombinasjon.Mens signalet vanligvis øker med økende laser makt, mobilitet ligning av CH 3 NH 3 PBI 3 perovskitt avtar med økende eksitasjon intensitet, som vist i figur 11b. Intensiteten (og derfor bærer tetthet) avhengighet er sub-lineært, noe som indikerer nærværet av høyere ordens henfallsprosessene.

Avhengigheten av ladningsbæreren desintegrasjons veiene på innfallende fotonenergi (bølgelengde) er vist i figur 12. Bølgelengder på 530, 750 og 780 nm ble valgt for å representere de ovennevnte, inter og sub-båndgap regimet, som bestemmes av absorpsjonsspektrum (figur 1). Tatt i betraktning de ulike absorpsjonskoeffisienter på disse bølgelengdene, ble TRMC spor tatt i laser krefter som resulterte i et absorbert foton tetthet på 5 × 10 12 fotoner / cm 2for hvert spor. Det er klart at mens desintegrasjons-tidsrammer er uavhengige av eksitasjonsbølgelengde, er større for ovenfornevnte bånd-gap tilstander så for de nær bandgap antall tilgjengelige felle tilstander (som bidrar til nedbrytning pathway ansvarlig for den lange forråtnelse hale).

Figur 1
Figur 1: absorpsjonsspektrum for CH 3 NH 3 PBI 3. Absorpsjonsspekteret blir brukt til å bestemme både den spektrale område av interesse, så vel som for kalibrering av den absorberte lasereffekt. Bandgap av denne prøven er ca 750 nm, med halen stater som strekker seg til 780 nm. Bølgelengder av interesse kan omfatte: ovenfor bandgap regime (λ <700 nm), bandgap (λ = 750 nm) og hale state regionen (750 nm <λ <780 nm). Vær så snillKlikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2: Generell TRMC eksperimentell skjematisk. Et eksempel plassert i en mikrobølgeovn hulrom er photoexcited via den optiske eksitasjon oppsett, men som samtidig er analysert med mikrobølgeovn deteksjonskrets. Laseren gir en utløser for måling synkronisering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: Optisk oppsett. En avstembar bølgelengde laser brukes til optisk Excite ladningsbærere i en prøve plassert i en mikrobølgehulrom. En parabolsk speil benyttes til å kople det frie rom laser inn i en optisk fiber. Nøytral tetthet filtre er vant til å få godt kalibrert laser makt serien. To iriser er brukt for å eliminere kryssbjelker som kan skade fiberen kledning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4: mikrobølgeovn hulrom. Øverst til høyre: bilde av hulrommet. Øverst til venstre: HFSS hulrom Simuleringen viser at det elektriske felt er tilnærmet ensartet og maksimum ved prøven stilling. Bunn: modell av hulrommet. Et lite hull i mikrobølgeovn kort gir optisk adgang inn i hulrommet. En Teflon diffusor anvendes for å sikre at lys som faller inn på prøven er romlig ensartet. Prøven blir plassert i en Teflon prøveholder ved den maksimale elektriske felt stilling. En iris blir brukt til å definere den fremre ende av hulrommet. A tuningskrue brukes til å optimalisere Q-faktor av hulrommet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5: Mikrobølgeovn deteksjon skjematisk. En vektor nettverksanalysator benyttes som både en mikrobølgekilde og som en IQ detektor. Utgangsmikrobølgeeffekt er delt i to baner: en eksitasjon arm og en deteksjons arm. Mikrobølge eksitasjon passerer gjennom en sirkulator i et hulrom, hvor den kommuniserer med en prøve. Reflektert mikrobølgeeffekt passerer gjennom sirkulasjonspumpe til en forsterker før vi går i detektoren. Signalet blir splittet i to, og halvdelen blandes med den opprinnelige mikrobølgesignal (som ga i-fase-signal I) og den andre halvparten ble blandet med den opprinnelige mikrobølgesignalet faseforskjøvet med 90 ° (hvilket gakvadratur-komponenten av signalet Q). Til slutt blir amplituden av signalet beregnes via ligning .

Vektoren nettverk analysator kan brukes både i tidsdomene (for å oppnå TRMC spor ved en fast frekvens) og i frekvensdomenet (for å oppnå en stabil tilstand S21 hulrom refleksjonskurve), uten å endre belastningen på hulrommet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6: resonanskurven for lastet hulrom. En lineær skala resonanskurve som brukes for å beregne hulrommet følsomhetsfaktor. Den Lorentzian fit (blå) brukes til å trekke resonansfrekvensen, FWHM båndbredde og minimum reflektert effekt R Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7: Fit med ODE. Normalisert TRMC spor, passer med en kinetisk modell convoluted med en Gaussisk instrument respons funksjon som beskriver direkte og felle-mediert rekombinasjon prosesser. Dataene er vist på en log-log plott for å markere at det eksisterer en lav amplitude hale forfall. Laserpulsen opptrer ved t ≈ 7 x 10 -6 s. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

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

Tabell 1: Fitting parametere. Fit parametre for TRMC spor tatt ved 530 nm eksitasjon med 6,4 x 10 14 absorbert ph / cm 2.

Figur 8
Figur 8: Microwave frekvensserien. Rå TRMC traser tatt som en funksjon av sondemikrobølgefrekvens, som strekker seg over 23 frekvenser på tvers av resonanskurven for den mørke hulrom. På venstre er 3 representative spor (rådata). På høyre er et 3D-bilde av mikrobølgeeffekt som en funksjon av tid og frekvens P (t, f). En t = 0, de TRMC linjene rekonstruere resonans kurven av lastet hulrom. Ved t ≈ 7 us (end-of-puls), er det en markert endring i resonanskurve. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9
Figur 9: fotoindusert hulrom resonans skift. Resonans kurver Rekonstruert TRMC spor før (rød) og like etter (blå) belysning. Resonanskurven forskyver både i amplitude (endring i sann ledningsevne) og i frekvens (endring i imaginær ledningsevne). Det innfelte sporer utviklingen av resonans effekt vs frekvens i løpet av forfall. jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 10
Figur 10: Decay dynamikk real vs imaginære ledningsevne. Den røde spor er TRMC data tatt ved en fast frekvens f c, resonansfrekvensen til den mørke lagt i hulrommet. Den grønne kurven er endringen i kraft på resonansfrekvensen, erholdt fra koplingen. Den blå strek er endringen i resonansfrekvens som funksjon av tid. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 11
Figur 11: Intensitet serie. Venstre: Intensiteten avhengighet av prøven mobilitet les / ftp_upload / 55232 / 55232eq74.jpg "/> tas fra forskjellige eksitasjons- bølgelengder mellom 530 og 780 nm Th:... TRMC transienter tatt som en funksjon av lasereffekt ND filtre brukes til å dempe den lasereffekt ved en kjent mengde Den intensitet tilsvarer antall absorberte fotoner / cm 2. laser~~POS=TRUNC pulsen~~POS=HEADCOMP skjer på t ≈ 7 × 10 -6 s. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 12
Figur 12: Bølgelengde serie. Normaliserte TRMC traser tatt ved en fast foton tetthet på 5 x 10 12 absorberte fotoner / cm 2 ved eksitasjonsbølgelengde på 530, 750 og 780 nm. Laserpulsen opptrer ved t ≈ 7 x 10 -6 s./ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55232/55232fig12large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mens TRMC teknikken kan tilby et vell av informasjon om fotoindusert kostnad bære dynamikk, er dette en indirekte måling av konduktivitet, og derfor omsorg må tas når man skal tolke resultatene. Den TRMC Teknikken måler total mobilitet, og kan ikke brukes til å skille mellom elektron og hull mobilitet. Den underliggende antagelse at ledningsevnen er proporsjonal endring i reflektert effekt holder bare når det endringen er liten (<5%) 16. Videre, hvis forskyvning i resonansfrekvens i løpet av forråtnelse er stor, da den totale (kompleks) konduktivitet vil måtte bli motbevist i sine reelle og imaginære komponenter før dataene kan bli analysert. Den TRMC teknikk er følsom for endringer i den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten, som kan ha bidrag ikke bare fra elektrisk ledningsevne, men også fra dielektrisk tap på grunn av dipol reorientering. Denne teknikken kan ikke brukes for å skillemellom disse to mekanismer, og vi antar her at elektriske ledningsevne er det dominerende bidrag til det imaginære dielektrisitetskonstanten, som er en god antagelse for krystallinske materialer, men kan ikke være gyldig for prøver i oppløsning.

For å oppnå absolutte snarere enn relative målinger, krever TRMC teknikk omfattende kalibrering. Spesielt kalibrering av optisk oppsettet for å bestemme de absorberte fotoner / innfallende fotoner er avgjørende for å oppnå nøyaktige mobilitet. I prinsippet er det mulig å bruke kvantitative TRMC på flytende eller pulverprøver; imidlertid nøyaktig karakterisering av absorpsjonen av disse prøvene kan være vanskelig.

Kalibreringen av hulrommet følsomhetsfaktor kan også være vanskelig hvis dielektrisitetskonstanten ligning av materialet er ukjent. I dette tilfellet må hulrommet følsomhet oppnås enten ved å modellere reflEL parametere av hulrommet ved hjelp av et høyfrekvent elektromagnetisk simulator 1, 14, eller ved hjelp av en tynn (<1 um) kalibreringsprøve som har en tilsvarende belastning på hulrommet som prøven under test. Dersom hulrommet følsomhet ikke kan måles, er det mulig å oppnå meningsfylte relative målinger (for eksempel som en funksjon av intensitet eller bølgelengde) og trekke dynamisk informasjon.

AC mobilitet målinger kan være flere størrelsesordener høyere enn de som oppnås ved DC-målinger mye som flukttid (TOF) eller bilde-CELIV målinger. For eksempel er det like mobiliteten av polymermatrikser dominert av inter-kjede transport, noe som fører til en mobilitetsstørrelsesordener mindre enn den som oppnås ved hjelp av TRMC 17. Dette er fordi DC-målingene gir en effektiv mobilitet gjennom en enhet, mens AC mobiliteter er iboende bevegeligheter av materialet, upåvirket avMaterialet-kontakt interaksjoner, eller forstyrrelser av den termiske drift hastighet av ladningsbærere på grunn av store drivspenninger. DC og AC bevegelsesmålingene kan benyttes i tandem for å undersøke ladningstransport gjennom fotoelektriske eller elektro-luminescerende enheter: TRMC målinger belyse indre ladningsbærertransportmekanismer, mens DC-målinger kan brukes til å identifisere den dominerende transportmekanisme av materialet i en enhet.

En svært nyttig utvidelse til TRMC eksperimentet er tillegg av gangen løst photoluminescence oppsett for å overvåke nedbrytning av ladningsbærere via direkte rekombinasjon. På denne måte kan det PL målingen brukes for å entydig skille mellom den direkte reaksjonsvei rekombinasjon fra flere desintegrasjons mekanismer som bidrar til TRMC forråtnelse, og betydelig raskere montering prosedyren.

Det er flere utvidelser til TRMC teknikk. For eksempel, Field indusert TRMC, hvori TRMC målerements er utført på en enhet under et elektrisk felt skjevhet som tilveiebringer en stabil tilstand injeksjon av bærere, kan anvendes for å undersøke grenseflate felle steder i anordningen 18.

Noen av begrensningene til TRMC teknikk kan overvinnes ved å sammenligne flere prøver.

For eksempel, mens et enkelt TRMC måling ikke kan skille mellom elektron og hull bevegeligheter, er det mulig å sammenligne en ryddig prøve med en prøve plasseres i en elektron-hull eller akseptere lag tre. I tillegg kan TRMC ikke benyttes til å skille mellom overflate- eller masse feller, men det er mulig å sammenligne unpassivated vs passiverte prøver for å bestemme bidraget av overflate feller til fellen-mediert nedbrytning prosess 6. Alternativt kan en serie av tynne filmer med økende tykkelse brukes til å avgjøre om det er en overflate / volum-forhold avhengighet av fellen tetthet.

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