Rekombination Dynamics i Thin-film fotovoltaiske materialer via Time-løst Microwave Ledningsevne

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.

 

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 til undersøgelse rekombination dynamik foto-induceret ladningsbærere i tyndfilm halvledere, specielt i fotovoltaiske materialer såsom organo-Blyhalogenid perovskiter præsenteres. Perovskit lagtykkelse og absorptionskoefficienten indledningsvis karakteriseret ved profilometri og UV-VIS spektroskopi. Kalibrering af både lasereffekt og hulrum følsomheden er beskrevet i detaljer. En protokol til at udføre Flash-fotolyse Tid Løst Mikroovn Ledningsevne (TRMC) eksperimenter, en berøringsfri metode til bestemmelse af ledningsevne af et materiale, der præsenteres. Fremgangsmåde til at identificere de reelle og imaginære komponenter af komplekset ledningsevne ved at udføre TRMC som funktion af mikrobølgefrekvens er givet. Charge carrier dynamik bestemmes under forskellige excitation regimer (herunder både magt og bølgelængde). Teknikker til at skelne mellem direkte og trap-medieret henfaldsprocesser præsenteres og diskuteres.Resultater er modelleret og fortolket med henvisning til en generel kinetisk model af fotoinducerede ladningsbærere i en halvleder. De beskrevne teknikker kan anvendes til en bred vifte af optoelektroniske materialer, herunder organiske og uorganiske fotovoltaiske materialer, nanopartikler, og ledelse / halvledende tynde film.

Introduction

Flash-fotolyse tidsopløst mikrobølge ledningsevne (FP-TRMC) overvåger dynamik foto-begejstrede ladningsbærere på ns-ps tidshorisont, hvilket gør det til et ideelt værktøj til at undersøge opladning carrier rekombinationsprocesser. Forståelse af henfald mekanismer af foto-induceret ladningsbærere i tynde film halvledere er af afgørende betydning i en række applikationer, herunder solceller enhed optimering. De inducerede carrier levetider er ofte funktioner af induceret bærer densitet, excitationsbølgelængde, mobilitet, fælde tæthed og indfangning sats. Dette papir viser alsidighed Time Løst Microwave Ledningsevne (TRMC) teknik til at undersøge en bred vifte af carrier dynamiske afhængigheder (intensitet, bølgelængde, mikroovn frekvens) og deres fortolkninger.

Fotofrembragte afgifter kan ændre både den virkelige og de imaginære dele af den dielektriske konstant af et materiale, alt efter deres mobilitet og Degre e af indespærring / lokalisering 1. Ledningsevnen af ​​et materiale ligning er proportional med dens komplekse dielektriske konstant

ligning

hvor ligning er frekvensen af ​​en mikrobølgeovn elektrisk felt, ligning og ligning er de reelle og imaginære dele af den dielektriske konstant. Således er den reelle del af ledningsevnen relateret til den imaginære del af den dielektriske konstant, og kan afbildes på mikrobølgeabsorption, mens den imaginære del af ledningsevnen (senere benævnt polarisering) er relateret til et skift i resonansfrekvensen af mikrobølgefeltet 1.

t "> TRMC tilbyder flere fordele i forhold til andre teknikker. For eksempel lider DC photoconductivity målinger fra en række komplikationer som følge af kontakt mellem materialet med elektroder. Enhanced rekombination ved elektroden / materialegrænseflade, ryg injektion af afgifter gennem denne grænseflade, samt som forbedret dissociation af excitoner og geminate par på grund af den anvendte spænding 2 alle føre til forvridninger i de målte carrier mobilitetsophold og levetid. i modsætning hertil TRMC er en elektrodefrit teknik, der måler den iboende mobilitet af luftfartsselskaber uden fordrejninger på grund opkræve overførsel tværs kontakter .

En væsentlig fordel ved at bruge mikrobølgeeffekt som en sonde til carrier dynamik er, samt overvågning af henfald levetid for ladningsbærere, henfald mekanismer / veje kan også undersøges.

TRMC kan anvendes til at bestemme det samlede mobilitet 3 og livtid 4 af inducerede ladningsbærere. Disse parametre kan efterfølgende anvendes til at skelne mellem direkte og trap-medieret rekombination mekanismer 3, 5. Afhængigheden af disse to separate henfald pathways kan kvantitativt analyseres som funktion af bærer tæthed 3, 5 og excitationsenergi / bølgelængde 5. Lokaliseringen / indespærring af inducerede bærere kan undersøges ved at sammenligne henfald af ledningsevne versus polariserbarhed 5 (imaginær vs reelle del af dielektrisk konstant).

Derudover, og måske vigtigst, TRMC kan bruges til at karakterisere trap stater, der fungerer som opladning carrier henfald veje. Overfladeaktive fælder, f.eks kan skelnes fra bulk fælder ved at sammenligne passiveret vs unpassivated prøverne 6. Sub-båndgab stater kanblive direkte undersøgt ved anvendelse sub-båndgab excitation energier 5. Trap tætheder kan udledes ved at montere TRMC oplysninger 7.

På grund af den alsidighed af denne teknik, har TRMC blevet anvendt til at studere en lang række materialer, herunder: traditionelle tyndfilm halvledere såsom silicium 6, 8 og TiO2 9, 10, nanopartikler 11, nanorør 1, organiske halvledere 12, materielle blandinger 13, 14, og hybrid fotovoltaiske materialer 3, 4, 5.

For at opnå kvantitative oplysninger ved hjælp TRMC, er det afgørende at være i stand til nøjagtigt at bestemme antalletaf absorberet fotoner for en given optisk excitation. Da metoder til kvantificering absorption af tynde film, nanopartikler, løsninger og uigennemsigtige prøver forskellige, er prøveforberedelse og kalibrering teknikker præsenteres her designet specielt til tynde film prøver. Men TRMC måleprotokollen præsenteres er meget generelt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøvefremstilling

Forsigtig: Nogle kemikalier, der anvendes i denne protokol kan være farligt for helbredet. Se venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade før nogen prøve forberedelse finder sted. Udnyt egnede personlige værnemidler (kitler, sikkerhedsbriller, handsker, etc.) og teknisk kontrol (f.eks handskerummet, stinkskab, etc.) ved håndtering af perovskit forstadier, og opløsningsmidler.

BEMÆRK: Formålet med dette afsnit er at danne en ensartet tykkelse tynd film på substratet. Mens denne fremgangsmåde er specifik for organo-Blyhalogenid perovskit prøve, kan det modificeres til en række prøver og prøveforberedelse teknikker, herunder dampudfældning, spin-coating og sputtering, etc. Det vigtige resultat er en ensartet tynd film.

  1. Rengøring af substratet
    1. Placer kvarts (eller lav jern glas) substrat i ultralydsbadaf detergent i 30 minutter.
    2. Gentag ultralydsbehandling med ultrarent vand og derefter med isopropanol.
    3. Placer de rensede substrater under nitrogen plasma i 30 minutter umiddelbart før overførsel til et nitrogen handskerum.
  2. CH 3 NH 3 PBI 3 perovskit prøveforberedelse hjælp af interdiffusion metode 15
    BEMÆRK: Følgende trin udføres i kvælstof handskerummet.
    1. Tilføj 461 mg PBI 2 til en prøve hætteglas, og overføre til et kvælstof handskerummet.
    2. Tilføj 850 pi vandfrit dimethylformamid (DMF) til 150 pi vandfrit dimethylsulfoxid (DMSO) til fra et blandet 85:15 DMF / DMSO opløsningsmiddel.
    3. Tilsæt PBI 2 til DMF / DMSO opløsningsmiddel og opvarme blandingen ved 100 ° C under omrøring med en magnetomrører, indtil PBI 2 er helt opløst.
    4. Filtrer PBI 2 løsning gennem et 0,2 um PTFEfiltreres over i en ren prøve hætteglas og vende tilbage til 100 ° C varmeplade.
    5. Opløs 50 mg CH3 NH3 I i 50 ml vandfri isopropanol.
    6. Dispensere 80 pi af den varme PBI 2 opløsning på glassubstratet (ved stuetemperatur) og straks spinde ved 5.000 rpm i 30 s for at danne en tynd PBI 2 precursor film.
    7. Indsprøjte en volumen af CH3 NH3 I-opløsning direkte på midten af PBI 2 film 300 pi, og straks spinde frakke denne opløsning ved 5.000 rpm i 30 s.
      BEMÆRK: Dette trin bør udføres med en enkelt tillid dispense af CH3 NH3 I-opløsning. Vær omhyggelig med at undgå utilsigtede drypper, da dette påvirker kvaliteten af ​​den resulterende film.
    8. Anbring prøven på en varmeplade ved 100 ° C i 2 timer, således at precursorfilmen krystalliserer i en perovskitstruktur. Den resulterende CH3 NH3 PBI 3 film skal være smoOTH, med en spejllignende overflade og ca. 250 nm tyk.
  3. Prøve indkapsling
    BEMÆRK: Dette trin er kun nødvendigt for prøver, der lider af atmosfærisk nedbrydning.
    1. Opløs 10 mg poly (methylmethacrylat) (PMMA) i 1 ml vandfrit chlorbenzen. Spin coat prøven med 50 pi af PMMA opløsning ved 1.000 rpm i 30 s.

2. Prøve Karakterisering

  1. Tykkelse Mål prøve
    1. Etch en lille linje på en følgesvend prøve. Scan overfladen i nærheden af ​​dette etch anvendelse af et profilometer. Bestem lagtykkelse L.
      BEMÆRK: Prøven skal opbevares i en lys fri (f.eks dækket i Aluminiumfolie) ilt-fri (f.eks nitrogen) miljø indtil den er klar til brug.
  2. Mål absorptionsspektret
    BEMÆRK: Detaljerne i denne måling varierer afhængigt af prøven (f.eks pulvere vs opaque film vs halvgennemsigtige film). Følgende fremgangsmåde er designet til halvgennemsigtige tyndfilm prøver. Formålet med dette afsnit er at bestemme bølgelængderne af interesse at undersøge (f.eks bestemme båndgab, excitonic funktioner, etc.), og til at beregne F a, den del af absorberede fotoner vs indfaldende fotoner ved hver bølgelængde af interesse.
    1. Anbring prøven substrat (f.eks objektglas) i prøven besiddelse af forskriftsmæssigt spektrofotometer. Optag baggrund reflektans (R (λ)) og transmittans (T (λ)) spektre i henhold til fabrikantens anvisninger. Bemærk: en refleksionsmåler såsom BaO 4 kan også anvendes til at opnå en nøjagtig baseline.
    2. Erstat substratet med prøven og registrere reflektans (R (λ)) og transmittans (T (λ)) i henhold til fabrikantens anvisninger. Træk målingen baggrund at få nøjagtig spektre.
      BEMÆRK: uigennemsigtige prøver, sompectrophotometer med en integrerende kugle vedhæftet fil skal bruges. Den diffuse reflektans måles som i afsnit 2.2.1-2 imidlertid prøven skal placeres i på bagsiden af ​​den integrerende kugle, i henhold til producentens anvisninger.
    3. Beregn absorptionskoefficienten via:
      ligning
      BEMÆRK: Når d er tykkelsen af ​​filmen i cm.
    4. Beregne antallet af absorberet vs indfaldende fotoner via
      ligning
      BEMÆRK: Sørg for absorptionskoefficienten og prøve tykkelse L har de samme enheder.
    5. Bestem bølgelængder af interesse fra absorptionsspektret ved inspektion. Disse kan omfatte optiske overgange eller bølgelængder på bandet kant eller i båndet halen. Bemærk F a ved hver af disse bølgelængder.
      BEMÆRK: bør udføres Følgende kalibreringsprocesser lige inden forsøget.

3. Laser Power Calibration

BEMÆRK: I dette afsnit henvises til den optiske excitation skematiske i figur 3. Afstemmelige bølgelængde lasere som OPOS kræver kobling ved hver bølgelængde.

  1. Par frit rum laser til en fiber
    BEMÆRK: Hvis den tilgængelige laser er allerede fiber kombineret, springe dette afsnit.
    BEMÆRK: Off-aksialt parabolsk spejl fiberkoblere er akromatisk, hvilket betyder, at alle bølgelængder falder ind på spejlet er fokuseret på prøven punkt. Som et resultat heraf kan fiberen være koblet til det frie rum laser ved en bølgelængde, og kræver ikke tilpasninger hver bølgelængde. Dette trin bør ske før alle andre Målingerne foretages
    BEMÆRK: Det er muligt at designe en TRMC hulrum og optisk opsætning ved hjælp af en ledig plads laser, selv om nøjagtigt og reproducerbart karakteriserer den absorberede laser magt kan være lidt vanskeligere.
    1. Indstil indfaldende bølgelængde til den ønskede værdi (f.eks 750 nm) i henhold til fabrikantens protokol. For faste bølgelængde lasere, er dette trin unødvendigt.
    2. Kontrollér laserstrålen profil for synlige tværbjælker. Hvis sådanne findes, bruger iris kun at tillade den centrale Gauss stråle til at passere til fiber kobling.
    3. Juster en off-akse parabolsk spejl fiberkobler således at indfaldende laserstråle er rettet ind med den optiske akse af spejlet.
    4. Tilslut den optiske fiber til fiberen kobling og til en potens sensor. Jo større fiberkernen, kan mere lys kobles ind i fiberen. En 1 mm kerne NA 0,48 fiber fungerer effektivt.
    5. Maksimer fiber kobling ved lav effekt ved at overvåge udgangseffekten af ​​fiberen med magt sensor, mens justering af tilt og vinkel fiber kobling. Optimal kobling opnås, når den målte effekt af sensoren er maksimeret (dvs. eventuelle justeringer af fiberkobler hældningsvinkel resultat i en lower effektmåling)
      BEMÆRK: Hvis justeringen er dårlig, er det muligt at beskadige den ydre kappe af fiberen. En tikkende lyd indikerer, at et hul bliver brændt i beklædningen. I dette tilfælde straks slukke laseren og udføre en grov justering af koblingen ved lav effekt.
    6. Gradvist øge laser magt og forfine koblingen som i 3.1.5.
  2. Måle hulrum tabsfaktor
    BEMÆRK: Dette afsnit skal udføres efter fiber kobling proceduren i afsnit 3.1.
    1. Mål strøm sendes gennem fiberen ved hjælp af en passende effekt sensor. Denne måling udføres før tilslutning af fiberen ind i hulrummet.
    2. Mål effekt ved prøven. Dette er lettest, hvis hulrummet består af 4 kvartal bølgeplader skruet sammen (se figur 4). For at gøre dette præcist og reproducerbart, skru hulrummet, placere en maske på størrelse med indehaveren af ​​prøven ved prøvenplacere og måle lasereffekten nå detektoren gennem masken.
    3. Beregn hulrummet tabsfaktoren ved at dividere lasereffekt målt ved fiberen ved den målte effekt ved prøven. Denne måling tager hensyn geometriske tab samt tab som følge af diffusive komponenter i opsætningen.
    4. Gentag denne måling for hver bølgelængde af interesse.

4. Montering af Sample ind i hulrummet

  1. Prøven anbringes i en Teflon prøveholder, udformet således, at prøven er centreret i hulrummet, når indsat.
  2. Sæt holderen prøven ind i hulrummet på et sted med maksimal elektrisk felt, med den tynde film vender den optiske indgang af hulrummet. Figur 4 viser en detaljeret skematisk af hulrum og prøveholderen den.

5. Cavity Følsomhed Calibration 14

BEMÆRK: Overskydende foto genereret ladningbærere føre til en ændring i prøven ledningsevne ligning (Sm -1), hvilket resulterer i et fald i mikrobølgeeffekt reflekteres fra hulrummet ligning . For små ændringer i ledningsevne 17, ændringen i mikrobølgeeffekt er proportional med ændringen i ledningsevne via et hulrum følsomhedsfaktor ligning :
ligning
Ændringen i ledningsevne ligning af prøven er relateret til ændringen i samlet konduktans ligning via ligning
BEMÆRK: Denne kalibrering er nødvendig for at konvertere mikrobølgeovn strøm til at oplade luftfartsselskab mobilitet. Hvis måletmed undersøgelsen er at sammenligne dynamik eller opnå relative resultater, er denne kalibrering ikke nødvendig.
BEMÆRK: I dette afsnit henvises til mikrobølge detektering setup i figur 5 på.

  1. Tilslut port 1 af et netværk analysator til cirkulatoren indgangsporten 1. Forbind port 2 af et netværk analysator til det punkt i kredsløbet lige før detektion (f.eks til udgangen fra en detektering diode eller IQ modulation detektor). Måle elforbruget reflekteres fra den belastede hulrum (dvs. med prøven indsat) som en 2-port S21 måling, for at opnå resonanskurven af kredsløbet. 14
    BEMÆRK: Hvis hulrummet ikke er blevet opnået med den eksterne mikrobølge detekteringskredsløbet, vil resonanskurven være forskellig for det selvstændige hulrum vs hulrummet i kredsløbet. Det er således bedre at måle resonansen ikke som en én port refleksionsmåling fra hulrummet, men snarere som en 2-port "refleksioner 'måling thrdybdegående cirkulationspumpen.
    BEMÆRK: Resonansfrekvensen er primært bestemt af geometrien af ​​kaviteten, der anvendes. Typiske resonansfrekvenser for TRMC findes i X-båndet (~ 10 GHz), og Q-båndet (~ 34 GHz), selv om der kan i princippet anvendes enhver mikrobølgefrekvens. I dette manuskript, bruger vi et hulrum med en resonansfrekvens på ~ 6,5 GHz, hvilket giver en lignende mikrobølge respons og samtidig skabe et større udfaldsrum sammenlignet med en X-band hulrum.
  2. Optimer kvalitetsfaktor, ligning , Af hulrummet med tuning skruen ved at observere resonans dip bliver dybere og smallere.
    BEMÆRK: Optimering Q-faktoren betyder ikke nødvendigvis maksimere Q. samtidig øge Q faktor øger følsomheden, hulrummet responstid ligning også stiger. Det kan være foretrukket at reducere følsomheden for at opnå højere tidsopløsning. Hvis fotoinducerede ladningsbærere væsentligt ændrer den dielektriske konstant af materialet, kan resonansfrekvensen også tidsmæssigt forskydes uden for hulrummet båndbredde, hvis Q er stort, hvilket resulterer i en forvrænget effektmåling. I disse tilfælde kan støjoverkobling resonatoren let forbedre nøjagtigheden af ​​den reflekterede effekt.
  3. Mål og registrere optimerede resonans kurve af hjælp af et netværk analysator som beskrevet i afsnit 5.1.1.
  4. Plot P reflekterede / P hændelse på en lineær skala og monter basislinjekorrigerede figur med en Lorentz lineshape, som vist i figur 6.
  5. Beregn den indlæst kvalitetsfaktor ligning Via:
    ligning
    BEMÆRK: Hvor ligning er den fulde bredde ved halvt maksimum (FWHM) af resonanskurven ogation "src =" / files / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> er resonansfrekvensen.
  6. Beregn hulrummet følsomhed faktor A (Ω cm) af hulrummet via 14:
    ligning
    hvor ligning er forholdet mellem reflekteret for indfaldende effekt ved resonansfrekvensen, ligning er det belastede resonansfrekvens, ligning er resonansfrekvensen, ligning er dielektricitetskonstanten for materialet ved resonansfrekvensen, ligning er permittiviteten af ​​ledig plads (F / cm).
    BEMÆRK: Denne formel forudsætter prøven fylder hele hulrummet.
  7. Ret følsomheden faktor for prøve geometry:
    Følgende korrektionsfaktorer gælder for en tynd film prøve af størrelse [w × b × L], (L << d), centreret i hulrummet ved z 0 = d / 4 (dvs. den maksimale elektriske felt). Her, L er prøvens tykkelse (cm), a og b er de lange og korte sider af det rektangulære hulrum henholdsvis og d er længden af ​​hulrummet (cm). Geometrien korrigeret følsomhed faktor à er givet ved:
    ligning
    hvor C z, C xy er korrektionsfaktorerne skyldes ufuldstændig udfyldning af hulrummet plads langs z og xy retning, givet ved:
    ligning
    ligning

6. Single TRMC Transient Measurement Procedure

  1. Bestem optimale parametre måling: manuelt finde signal
    BEMÆRK: Anbringendese henvises til den eksperimentelle skematiske præsenteret i figur 2, før du læser de følgende afsnit i protokollen.
    BEMÆRK: opsætning af mikrobølge detektering kredsløb kan gøres enten ved håndkraft eller ved hjælp af passende software. Typisk for hver ny prøve, de måleparametre (såsom resonansfrekvens, mikrobølgeeffekt, trigger position og tid-base) er ukendte, og skal justeres til at identificere / optimere signalet. Dette gøres normalt manuelt. Når signalet er blevet identificeret, er måleparametre derefter indgået en MATLAB (eller andre) script bruges til at automatisere målingen processen.
    1. Tune laseren til en bølgelængde på interesse, som bestemt i punkt 2.2.5.
    2. Hvis laseren har en justerbar strømindstilling, indstille udgangseffekten til maksimum, i henhold til fabrikantens anvisninger. (Dette kan indebære manuelt justere en effekt knop, eller kan ske via software afhængigt af laser).
    3. Tilslut (alleredekoblet) optisk fiber til en power sensor, og måle lasereffekten transmitteret gennem fiberen ved anvendelse af en effektmåler. Fibrene er ikke forbundet til hulrummet i denne fase.
      BEMÆRK: For meget korte pulserende lasere, er dette ofte bedst gøres ved hjælp termiske (gennemsnitlig effekt) sensorer i stedet diode sensorer, som kan undergå tidsmæssig mætning eller endda dielektrisk sammenbrud ved meget høje kræfter.
    4. Brug neutrale tæthed (ND) filtre til at dæmpe laser magten til en ønsket effekt.
      BEMÆRK: Det er muligt at indstille effekt til et lavere niveau, og ikke bruge filtre, men en mere præcis magt læsning kan opnås ved at måle en høj effekt og derefter formildende.
    5. Beregn N ph, antallet af absorberede fotoner / cm2 / puls på dette excitationsintensitet via:
      ligning
      ligning
    6. Slut fiber til hulrummet.
    7. Oprette detekteringskredsløbet, som vist i figur 5.
      BEMÆRK: En vektor netværk analysator blev anvendt til at udføre disse målinger; men det er muligt at anvende en alternativ opsætning mikrobølge detektering, for eksempel ved anvendelse af en mikrobølgeovn diode som en magt sensor.
    8. Indstil mikrobølgeovn kilde frekvens til resonansfrekvensen af ​​det belastede hulrum, som målt i afsnit 5. Til vores opsætning ved hjælp af netværk analysator, indebærer dette muliggør kontinuerlige frekvens output og manuelt at indtaste frekvensen af ​​output mikrobølger.
    9. Indstil mikrobølgeeffekt til 0 dBm.
    10. Udløs Network Analyzer (eller alternativt detektor) ved hjælp af laser. Bestem aftrækkeren offset nødvendigt at indfange stigningen af ​​signalet med et par mikrosekunder af 'mørk' signal, før laser puls til at bruge som udgangspunkt til montering. Indstilling af aftrækkeren offset til 1/10 af signalet længde fungerer godt (f.eks hvis signalet er 100 mikrosekunder lange, så baseline trigger skal opvejes af 10 mikrosekunder). Dette indebærer at ændre udløsermodusen til "eksterne", og justering på aftrækkeren offset indtil signalet er fundet.
    11. Juster timebase af nettet analysator (eller alternativt detektor), således at den transiente hale er meget længere, at den oprindelige henfald. Der er ofte en lang hale, der fortsætter selv når det vises (på en lineær skala) at signalet er henfaldet til støjbunden.
      BEMÆRK: For at afgøre, om timebase anvendte er tilstrækkelig lang, indspille en gennemsnitlig TRMC forbigående og derefter plotte på en log-log skala.
  2. Mål rå forbigående
    BEMÆRK: Typisk, når opnå suiter af TRMC data, er målingen proces automatiseret ved sammenknytning med mikrobølge kilde og detektor. I dette papir, har en hjemmelavet MATLAB script blevet brugt til at indstille mikrobølgeovnen output (freq, og magt), og også til at konfigurere købet måling (måling tid base, udløser offset, nummer of gennemsnit).
    1. Hvis målingerne er automatiserede, input mikrobølge frekvens og strøm samt opkøbet udløser offset og måling tid base, som er blevet fastlagt i afsnittet ovenfor i eksperimentet script.
    2. Mens kontinuerligt pulserende laser, måle og registrere en TRMC henfald forbigående på et netværk analysator (eller alternativt detektor). Gennemsnitlige mindst 100 spor (selv om S / N er meget høj med et enkelt skud måling) for at kompensere for shot-to-shot power variationer i pulserende laser. Hvis målingerne er automatiserede, dette gøres ved at udføre eksperimentet script.
      BEMÆRK: Gennemsnitsperiode kan kræves for at opnå tilstrækkelig signal-til-støj, især for prøver med lange, små amplitudefaldehastigheden haler såsom vist i figur 7.
      BEMÆRK: Inverted transienter og transienter med positiv og negativ "lapper", kan indikere, at mikrobølgefrekvens ikke på hulrumsresonansfrekvenssignal. Juster source frekvens indtil den transiente signal maksimeres.
    3. Afbryd fiber fra hulrummet og cap optisk port. Tag en baggrund læsning med det samme antal af gennemsnit som i det foregående trin, med prøven stadig i resonatoren, men ikke længere er belyst.
    4. Træk baggrunden spor fra signalet spor.
  3. Proces rå data til mobilitet per opladning luftfartsselskab
    1. Beregn ændring i reflekteret effekt via
      ligning
      BEMÆRK: Hvor ligning er basislinjen for de rå forbigående (før belysning) ligning er den rå forbigående data.
      BEMÆRK: Hvis detektoren foranstaltninger spænding ikke strøm (f.eks Diode + oscilloskop), derefter en skaleringsfaktor skal medtages. Skaleringsfaktoren er normalt citeret af dIode producent; ellers kan det opnås ved at udføre en kalibrering af udgangsspænding vs input mikrobølgeeffekt.
      ligning
    2. Konverter ændringen i reflekteret magt til mobilitet per opladning luftfartsselskab (dvs. rescale forbigående) via:
      ligning
      BEMÆRK: Hvor ligning svarer til slutningen af ​​laserimpulsen, ligning er ladningen af ​​en elektron, ligning er forholdet mellem de korte og lange dimensioner af hulrummet og ligning er antallet af absorberede fotoner per cm2 og ligning (Ω) forbundet det reflekterede mikrobølge power til ændringen i ledningsevne AG. Denne rescaling giver mulighed for meningsfuld sammenligning af TRMC transienter taget på forskellige laser beføjelser og bølgelængder.
      BEMÆRK: ligning er faktisk den samlede mobilitet elektron og huller. Men vi kan ikke skelne mellem disse bidrag hjælp TRMC, og derfor vi skære dem sammen for enkelhed.
    3. Monter TRMC spor med en passende model.
      BEMÆRK: Dette er enkel, hvis dataene følger en enkelt eller dobbelt eksponentiel formular. Det dataene har dog en simpel form, kan det være nødvendigt at tilpasse dataene til en kinetisk model, som involverede montering opløsning af en ode (se figur 7). Beslaget ligning / model skal foldet med et instrument respons funktion (f.eks Gauss centreret ved t = t laser med en bredde, der svarer til den responstiden for det instrument, som begrænser den tidsmæssige opløsning af data.) </ Li>

7. Undersøge reelle og imaginære komponenter af ledningsevne

  1. Måling TRMC spor som en funktion af mikrobølge sonde frekvens
    BEMÆRK: (komplekse) ledningsevne dynamik kan dekonstrueret i den virkelige (ledningsevne) og imaginære (polarisering) komponenter ved at tage flere TRMC spor på mikrobølgefrekvenser spænder over resonans kurve af belastede hulrum.
    1. Bestem resonansfrekvensen ligning af hulrummet med prøven i mørke fra S21 hulrumsresonansfrekvenssignal kurve (se figur 6).
    2. Vælg x> 20 frekvens point ligning langs denne resonans kurve. Disse punkter vil blive brugt til at passe en Lorentz-funktion, så det er bedst, hvis der er flere punkter tæt på den mørke resonansfrekvensen f c (se Figur 9).
    3. Indstil excitationsbølgelængden afhængigt af polarisering dynamik interesse (f.eks over båndgab gratis carrier polarisering, sub-båndgab for fanget opladning polarisering).
    4. Indstil laser magt til maksimum (dette vil give det højeste S / N).
    5. Mål lasereffekt ud af fiberen. Indstil sonden mikrobølgefrekvens til resonansfrekvensen af ​​hulrummet i mørke ligning .
    6. Anskaf en TRMC spor som beskrevet i afsnit 6. Gentag målingen beskrevet ovenfor til en fast laser intensitet for ligning .
  2. Frekvens data efterbehandling: dekonstruktion til reelle og imaginære dele
    1. Plot TRMC forbigående effekt ligning som en funktion tid og sonde mikrobølgefrekvenses / ftp_upload / 55232 / 55232eq116.jpg "/>, som vist i figur 8.
    2. Grund ligning og ligning Den TRMC effekt ved t = 0 og ved t = slutningen af laser puls for hver mikrobølgefrekvens, som vist i figur 8.
    3. For hver skive i gang ligning , Konstruere en resonans kurve ligning .
    4. Monter denne kurve med en Lorentz at opnå resonansfrekvensen ligning , Og den resonante magt ligning .
    5. Grund ligning vs ligning til opnåelse af en hysterese-lignende polærtization evolution plot (se indsat i figur 8).
    6. Beregn den normaliserede forbigående frekvens og forbigående effekt skift via:
      ligning
      ligning
    7. Plot ændringen i resonansfrekvensen ligning Ændre i resonans magt ligning og ændre i forbigående effekt ved hulrummet center frekvens ligning Som vist i figur 10.

8. Intensitet Dependent Data Suite

  1. Tune laseren til en bølgelængde på interesse, som bestemt i punkt 2.2.5.
  2. Indstil laser magt til maksimum.
  3. Mål lasereffekt ud af fiberen.
  4. Slut fiber til hulrummet.
  5. Anskaf en enkelt TRMC forbigående som skitseret i afsnit 6.
  6. Sæt et ND-filter sted mellem laseren og fiberen (enten mellem to iris, eller lige før fiberkobler. For lasere med en fiber output, skal placeres ND filter mellem fiber output og hulrummet optisk port).
  7. Beregn og registrere den ændrede antal absorberede fotoner som beskrevet i 6.1.5.
  8. Anskaf en enkelt TRMC forbigående som skitseret i afsnit 6.
    BEMÆRK: som dæmpningen stiger, vil det blive nødvendigt at øge antallet af gennemsnit.
  9. Gentag 8,6-8,8 for så mange kombinationer af ND-filtre efter behov.
    BEMÆRK: Intensitet afhængigheder er ofte observeret over flere størrelsesordener. Den høje effekt grænse indstilles af den maksimale udgangseffekt lasereffekt ved en given bølgelængde. Den lave grænse effekt indstilles af følsomheden af ​​opsætningen detektion.

9. Bølgelængde Afhængige Data Suite

BEMÆRK: I ordis at sammenligne TRMC transienter ved forskellige bølgelængder, skal laseren kalibreres ved hver bølgelængde, således at derefter induceret bærerkoncentration er konstant.

  1. Bestem bølgelængde, som begrænser den maksimale opnåelige induceret ladningsbærere tæthed N luftfartsselskaber. Dette kan være begrænset af lasereffekten, der på det bølgelængde eller af absorptions- egenskaber ved prøve. For eksempel ved måling TRMC transienter ved bølgelængde spænder ovenstående inter og sub-båndgab regime, vil den lave absorption ved sub-båndgab bølgelængder begrænse den maksimale bærer tæthed.
  2. Beregn laser magt nødvendig for at generere denne konstante henvisning carrier density N beflyver hver bølgelængde med:
    ligning
  3. Tune laseren til den ønskede bølgelængde. Indstil laser magt til værdien beregnet i 9.2. Slut fiber til hulrummet. Anskaf en enkelt TRMC forbigående som skitseret i§ 6. Gentag trin 9.3 for hver bølgelængde af interesse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De repræsentative resultater præsenteres her blev opnået fra en 250 nm CH3 NH3 PBI 3 tyndfilm prøve.

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

ligning

under forudsætning af, at de charge carrier mobilitetsophold ligning er konstante i tid, i hvert fald på tidsskala af forfald. Desuden forudsat ingen rekombination af de oprindeligt dannede ladningsbærere forekommer under laser puls, maksimum (end-of-puls) ændring i conductance kan skrives som:

ligning
ligning

hvor ligning er ladningen af ​​en elektron, ligning er den maksimale fotoinduceret ladningsbærer tæthed, ligning er foton intensitet som falder på prøven (fotoner / cm2), ligning er den indre quantum effektivitet og ligning er den del af indfaldende lys absorberes ved en given bølgelængde, som kan beregnes ud fra absorptionsspektret (se Figure 1). Den TRMC peak ligning svarer derfor til den indre (mikroovn) ladningsbærere mobilitet af prøven.

Det er vigtigt at bemærke, at den citerede ledningsevne er en gennemsnitlig ledningsevne gennem hele filmen 14, ligning . Beskrivelsen ovenfor forudsætter en homogen fotoinduceret luftfartsselskab tæthed i hele prøven, som gælder for prøver med en tilstrækkelig lav optisk tæthed, så effekttab er generelt ensartede i hele prøven. Mens induceret ladningsbærere inhomogenitet (som kan tilnærmes via Lambert-Beers lov) komplicerer analysen af ​​fotoinduceret ledningsevne gradient, betyder det ikke påvirker ikke korrekt kvantisering af ligning Eftersom den samlede ændring i konduktans er independent af carrier koncentrationsgradient. Dog kan ikke-ensartet carrier koncentration påvirker højere ordens ulineære processer i prøven.

En generel model med direkte og ét-niveau trap-medieret rekombination er vist nedenfor 7.

ligning
ligning
ligning

hvor ligning er de elektronhul og fælde populationer, ligning er dannelsen sats, ligning er den bimolekylære rekombination sats, den fældefangst sats og fælden recombination sats henholdsvis. Ved at montere TRMC data med en kinetisk model, såsom den der er beskrevet ovenfor indviklede med en Gaussisk instrument responsfunktion, er det muligt ikke blot at bestemme carrier levetider og trap tætheder, men også karakterisere direkte og trap-medieret rekombination processer. Figur 7 viser et repræsentativt pasform anvender parametre i tabel 1.

Særlig forsigtighed bør tages i bestemmelse af unikke i fit parametre. Det er nyttigt, hvis der kan udføres gratis forsøg for at validere en af tidsskalaer (f.eks tidsresolveret PL måling kan anvendes til at opnå den direkte rekombination sats.

Hvis et henfald hale er til stede i data, er det vigtigt at indhente data til længe nok til præcist at repræsentere denne hale forfald: passer de samme data beskåret til en kortere tidshorisont kan resultere i different tidsskalaer. Lav intensitet henfald haler kan især være svært at passe nøjagtigt hvis halen forsvinder ind støjbunden af ​​instrumentet.

Til vores indstilling kræves tidsmæssige opløsning begrænset af reaktionstiden for vektoren netværk analysator, der har en responstid på omkring 60 ns. Q faktor for målingerne præsenteres her er omkring 150, med et tilsvarende hulrum responstid på ca.. 7 ns. For alternative mikrobølge afsløring opsætninger med en hurtigere responstid (f.eks mikrobølge diode og oscilloskop), kan hulrummet levetid begrænse den tidsmæssige opløsning.

Mikrobølge frekvens afhængighed af TRMC henfald kan anvendes til at dekonstruere komplekse ledningsevne i dens reelle (ledningsevne) og imaginære (polariserbarhed) komponenter. Figur 8 viser de rå TRMC spor taget som en funktion af probe mikrobølgefrekvens, spanning23 frekvenser over resonanskurven af ​​den mørke hulrum. Til venstre er 3 repræsentative spor (rå data). Bemærk, at data er taget fra resonans kan vise en forvrænget forfald profil, med positive eller negative lapper, eller endda blive omvendt. Til højre er en 3D repræsentation af mikrobølgeeffekt som funktion af tid og frekvens P (t, f). Ved t = 0, de TRMC basislinjer rekonstruere resonanskurven af ​​den fyldte hulhed. En maksimal skift i både magt og hyppigheden af ​​de reflekterede mikrobølger sker ved t ≈ 7 mikrosekunder (end-of-puls).

Den dynamiske skift i resonans kurve af hulrummet som et resultat af overskydende fotoinduceret ladningsbærere er vist i figur 9. Dette skift kan eller ikke kan være betydelige, afhængigt af de dielektriske egenskaber af materialet (dvs. hvis den komplekse ledeevne har en imaginær komponent eller ej). Den røde kurve er rekonstrueret fra basislinjen TRMC spor tagetved multiple mikrobølge sonde frekvenser. Dette spor svarer til den mørke hulrumsresonansfrekvenssignal. Den blå spor er rekonstrueret fra slutningen af ​​puls TRMC magt taget ved flere frekvenser. Det indsatte viser udflugten af ​​resonansfrekvensen vs resonant strøm under forfald.

Polarisering dynamik kan anvendes til at skelne mellem direkte og trap-medieret rekombination pathways. Figur 10 viser en dekonstruktion af en TRMC spor i bidrag fra de reelle og imaginære komponenter af ledningsevne. Den røde kurve er TRMC data taget ved en fast frekvens ligning , Resonansfrekvensen af ​​den mørke indlæst hulrum. Dette er en typisk TRMC måling af komplekse ledningsevne. Henfaldet af den reelle del af ledningsevnen (resonante strøm opnået fra fitting) er afbildet i den grønne spor. Henfaldet af polarisationen (resonansen frequency) er vist med blåt. Den polarisering forfald udviser en væsentligt mindre henfald hale end ledningsevnen forfald. Dette indebærer, at ved lange tider, er ladningsbærere bidrager mere til ledningsevne så de er til polarisering, hvilket er konsistent med forfald via lokaliserede fanget tilstande.

Anden ordens interaktioner af fotoinducerede ladningsbærere kan undersøges via excitationsintensitet afhængighed af ladningsbærer dynamik. Figur 11a viser TRMC spor taget ved 530 nm excitation ved forskellige excitation intensiteter spænder to størrelsesordener, fra 10 12 til 10 14 absorberede fotoner / cm2. De TRMC spor udviser to forskellige tidsplaner, hvilket indikerer tilstedeværelsen af ​​to forskellige henfald mekanismer: Den hurtige henfald (som forekommer i størrelsesordenen 100 ns) er tilskrevet direkte rekombinationsprocesser mens den lange hale henfald tilskrives trap-medieret rekombination.Mens signalet stiger typisk med stigende lasereffekt, mobilitet ligning af CH3 NH3 PBI 3 perovskit falder med stigende excitationsintensitet, som vist i figur 11b. Intensiteten (og derfor bærer densitet) afhængighed er sub-lineær, hvilket indikerer tilstedeværelsen af ​​højere orden henfaldsprocesser.

Afhængigheden af ladningsbærer henfald veje på indfaldende foton energi (bølgelængde) er vist i figur 12. Bølgelængder på 530, 750 og 780 nm blev valgt til at repræsentere ovenstående inter og sub-båndgab regime, som bestemt ud fra absorptionsspektret (figur 1). Under hensyntagen til de forskellige absorptionskoefficienter ved disse bølgelængder, blev TRMC spor taget ved laser beføjelser, som resulterede i en absorberet foton tæthed af 5 × 10 12 fotoner / cm2for hvert spor. Det er klart, at mens henfald tidsskalaer er uafhængige af excitationsbølgelængden, antallet af tilgængelige trap tilstande (som bidrager til henfald pathway ansvarlig for den lange henfald hale) er større for ovennævnte band-gap stater derefter for dem tæt på båndgab.

figur 1
Figur 1: Absorption spektrum af CH3 NH3 PBI 3. Absorptionsspektret anvendes til både bestemme den spektrale område af interesse, samt for kalibrering af den absorberede lasereffekt. Den båndgab af denne prøve er omkring 750 nm, med hale stater strækker sig til 780 nm. Bølgelængder af interesse kan omfatte: over båndgab regime (λ <700 nm), båndgab (λ = 750 nm) og hale state region (750 nm <λ <780 nm). Vær venligklik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2: Generel TRMC eksperimentel skematisk. En prøve placeres i en mikrobølgeovn hulrum photoexcited via den optiske excitation setup, medens den probet med mikrobølge detekteringskredsløb. Laseren giver en udløser til måling synkronisering. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: Optisk opstilling. Afstemmelig bølgelængde laser bruges til optisk Excite ladningsbærere i en prøve anbragt i en mikrobølgeovn hulrum. En parabolsk spejl bruges til at koble det frie rum laser til en optisk fiber. Neutralfiltre bruges til at opnå godt kalibreret laser potensrækker. To iris anvendes til at eliminere tværbjælker, som kan beskadige beklædningen fiber. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4: Microwave hulrum. Øverst til højre: foto af hulrummet. Øverst til venstre: HFSS hulrum simulation viser, at det elektriske felt er omtrent ensartet og maksimum ved prøvens position. Nederst: model af hulrummet. Et lille hul i mikrobølgeovnen kort giver optisk adgang ind i hulrummet. En Teflon diffuser bruges til at sikre lyset falder ind på prøven er rumligt ensartet. Prøven anbringes i en Teflon prøveholder ved den maksimale elektriske felt position. En iris bruges til at definere den forreste ende af hulrummet. A tuningskrue anvendes til at optimere Q-faktoren af ​​hulrummet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5: Microwave afsløring skematisk. En vektor netværk analysator anvendes som både en mikrobølgeovn kilde og som en IQ detektor. Udgangen mikrobølgeeffekt er opdelt i to stier: en excitation arm og et påvisning arm. Mikrobølge excitation passerer gennem en cirkulationspumpe ind i et hulrum, hvor det interagerer med en prøve. Reflekteret mikrobølgeeffekt passerer gennem cirkulationspumpen i en forstærker før ind i detektoren. Signalet er delt i to, og halvdelen er blandet med den oprindelige mikrobølgesignal (hvilket giver i-fase signal I) og den anden halvdel er blandet med det oprindelige mikrobølgesignal faseforskudt med 90 ° (hvilket gavkvadratur komponent af signalet Q). Endelig er amplituden af ​​signalet beregnes ved hjælp ligning .

Vektoren netværk analysator kan anvendes både i tidsdomænet (til opnåelse TRMC spor ved en fast frekvens), og i frekvensdomænet (for at opnå en stabil tilstand S21 kurve hulrum refleksion), uden at ændre belastningen på hulrummet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6: Resonans kurve af loaded hulrum. En lineær skala resonanskurven anvendes til at beregne hulrummet følsomhed faktor. Den Lorentzian fit (blå) anvendes til at ekstrahere resonansfrekvensen, FWHM båndbredden og mindste reflekteret effekt R Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7: Fit med ODE. Normaliseret TRMC spor, fit med en kinetisk model komplicerede med en Gaussisk instrument svar der beskriver direkte og trap-medieret rekombination processer. Dataene vises på en log-log plot for at fremhæve eksistensen af ​​en lav amplitude hale forfald. Laserpulsen forekommer ved t ≈ 7 × 10 -6 s. Klik her for at se en større version af dette tal.

fit parameter k 2 (cm s-1) k T (cm 3 s-1) k R (cm 3 s -1) N T (cm3)
værdi 6,50 × 10 -10 7,90 × 10 -8 1.10 × 10 -9 1,60 × 10 16

Tabel 1: Montering parametre. Fit parametre TRMC spor taget ved 530 nm excitation med 6,4 x 10 14 absorberet ph / cm2.

Figur 8
Figur 8: mikrobølgefrekvens serien. Rå TRMC spor taget som en funktion af probe mikrobølgefrekvens, der spænder over 23 frekvenser over resonanskurven af ​​den mørke hulrum. Til venstre er 3 repræsentative spor (rå data). På den højre er en 3D repræsentation af mikrobølgeeffekt som funktion af tid og frekvens P (t, f). En t = 0, de TRMC basislinjer rekonstruere resonanskurven af ​​den fyldte hulhed. Ved t ≈ 7 mikrosekunder (end-of-puls), er der en udtalt skift i resonans kurve. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9
Figur 9: fotoinduceret hulrumsresonansfrekvenssignal skift. Resonanskurverne rekonstrueret fra TRMC spor før (rød) og lige efter (blå) illumination. Resonanskurven skifter både i amplitude (ændring i real ledningsevne) og i frekvens (ændring i imaginære ledningsevne). Det indsatte sporer udviklingen af ​​den resonante magt vs frekvens under forfald. jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10
Figur 10: Decay dynamik real vs imaginære ledningsevne. Den røde kurve er TRMC data taget ved en fast frekvens f c, resonansfrekvensen af den mørke indlæst hulrum. Den grønne spor er ændringen i effekt ved resonansfrekvensen, opnået fra fittingen. Den blå spor er ændringen i resonansfrekvensen som funktion af tiden. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 11
Figur 11: Intensitet serien. Venstre: Intensiteten afhængighed af prøve mobilitet les / ftp_upload / 55232 / 55232eq74.jpg "/> taget ved forskellige excitationsbølgelængder mellem 530 og 780 nm højre:... TRMC transienter tages som en funktion af laser magt ND-filtre bruges til at dæmpe laser magt ved en kendt mængde Den intensitet svarer til antallet af absorberede fotoner / cm2. laseren puls sker ved t ≈ 7 × 10 -6 s. klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 12
Figur 12: Bølgelængde serien. Normaliseret TRMC spor taget på en fast foton tæthed på 5 × 10 12 absorberede fotoner / cm2 ved excitation bølgelængde på 530, 750 og 780 nm. Laserpulsen forekommer ved t ≈ 7 × 10 -6 s./ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55232/55232fig12large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mens TRMC teknikken kan tilbyde et væld af oplysninger om fotoinducerede afgift carrier dynamik, dette er en indirekte måling af ledningsevne, og derfor plejebehov, der skal tages ved fortolkning af resultater. Den TRMC teknik måler total mobilitet, og kan ikke anvendes til at skelne mellem elektron og hole mobiliteter. Den underliggende antagelse, at ledningsevne er proportional til at ændre i reflekteret effekt holder kun, når ændringen er lille (<5%) 16. Desuden, hvis skiftet i resonansfrekvens under henfald er stort, er det samlede (kompleks) ledningsevne skal dekonstrueret i dens reelle og imaginære komponenter før data kan analyseres. Den TRMC teknik er følsom overfor ændringer i den imaginære del af den dielektriske konstant, som kan have bidrag ikke blot fra elektrisk ledningsevne, men også fra dielektriske tab på grund af dipol nyorientering. Denne teknik kan ikke anvendes til at skelnemellem disse to mekanismer, og vi antager her, at elektrisk ledningsevne er den dominerende bidrag til den imaginære dielektricitetskonstant, som er en god antagelse for krystallinske materialer, men kan ikke være gyldig for prøver i opløsning.

For at opnå absolutte snarere end relative målinger, den TRMC teknik kræver omfattende kalibrering. Især kalibrere optiske setup til at bestemme de absorberede fotoner / hændelse fotoner er afgørende for at opnå nøjagtige mobiliteter. I princippet er det muligt at anvende kvantitativ TRMC på flydende eller pulveriserede prøver; dog nøjagtig karakterisering af absorptionen af ​​disse prøver kan være svært.

Kalibreringen af ​​kaviteten følsomhedsfaktor kan også være vanskelig, hvis dielektriske konstant ligning af materialet er ukendt. I dette tilfælde skal hulrummet følsomhed opnås enten ved at modellere REFLfdeling parametre af hulrummet ved hjælp af en højfrekvent elektromagnetisk simulator 1, 14, eller ved hjælp af en tynd (<1 um) kalibreringsprøve som har en lignende belastning på kaviteten som prøve under test. Hvis hulrummet følsomheden ikke kan måles, er det muligt at opnå meningsfulde relative målinger (fx som en funktion af intensitet eller bølgelængde) og ekstraheres dynamisk information.

AC mobilitet målinger kan være flere størrelsesordener højere end dem, der opnås ved DC-målinger meget som tiden søgning (TOF) eller foto-CELIV målinger. For eksempel er DC mobilitet af polymermatricer domineret af inter-kæde-transport, hvilket fører til en Mobility størrelsesordener mindre end den, der opnås ved anvendelse TRMC 17. Dette skyldes, at DC-målinger giver en effektiv mobilitet gennem en enhed, mens AC mobilitet er iboende mobilitet af materialet, upåvirket afmateriale-kontakt interaktioner eller forstyrrelser af den termisk drift hastighed af ladningsbærere som følge af store drivende spændinger. DC og AC målinger mobilitet kan anvendes i tandem til at undersøge charge transport gennem fotovoltaiske eller elektro-luminescerende enheder: TRMC målinger belyse ladningsbærere transport iboende mekanismer, mens DC målinger kan anvendes til at identificere den dominerende transportmekanisme af materialet i en indretning.

En meget nyttig udvidelse til TRMC eksperimentet er tilføjelsen af ​​en tidsopløst fotoluminescens setup at overvåge henfald af ladningsbærere via direkte rekombination. På denne måde kan den PL måling anvendes til utvetydigt at skelne den direkte rekombination pathway fra andre henfald mekanismer, der bidrager TRMC henfald, og signifikant fremskynde tilpasningsproceduren.

Der er flere udvidelser til TRMC teknik. For eksempel Field inducerede TRMC, hvori TRMC measuvandskravene udføres på en enhed under et elektrisk felt skævhed, som tilvejebringer en stabil tilstand injektion af bærere, kan anvendes til at probe grænsefladespændinger fælde steder i indretningen 18.

Nogle af begrænsningerne i TRMC teknik kan overvindes ved at sammenligne flere prøver.

For eksempel medens en enkelt TRMC måling ikke kan skelne mellem elektron og hole mobilities, er det muligt at sammenligne en pæn prøve med en prøve anbragt i en elektron eller et hul accepterende lag 3. Derudover kan TRMC ikke anvendes til at skelne mellem overfladen eller bulk-fælder, men det er muligt at sammenligne unpassivated vs passiverede prøver til bestemmelse af bidraget af overflade- fælder til fælden-medieret henfaldsproces 6. Alternativt kunne en række tynde film med stigende tykkelse anvendes til at bestemme, om der er en overflade / volumen-forhold afhængighed fælden massefylde.

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