Zaman çözülmesi Mikrodalga İletkenlik aracılığıyla İnce film Fotovoltaik Malzemeler rekombinasyon Dinamikleri

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

özellikle bu tür organo-kurşun halojenür perovskitteki olarak fotovoltaik malzemelerin ince film yarıiletkenlerdeki fotoğraf kaynaklı yük taşıyıcıların rekombinasyon dinamiklerini araştırmak için bir yöntem sunulmuştur. perovskit film kalınlığına ve emme katsayısı, ilk profilometre ve UV-VIS emilim spektroskopisi ile karakterize edilir. lazer gücü ve kavite, her iki hassasiyet yoklaması ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Flaş fotoliz Zaman Çözümlemeli Mikrodalga İletkenlik (TRMC) deneyler için bir protokol, bir malzemenin iletkenliğini belirleyen bir temassız yöntem sunulmuştur. Mikrodalga, frekansın bir fonksiyonu olarak TRMC gerçekleştirerek karmaşık iletkenlik gerçek ve sanal bileşenlerini tanımlamak için bir yöntem verilmiştir. Yük taşıyıcı dinamiği (güç ve dalga boyu hem dahil) farklı uyarma rejimler altında belirlenir. doğrudan ve tuzak aracılı çürüme süreçleri arasında ayrım Teknikleri sunulmuş ve tartışılmıştır.Sonuçlar modellenmiş ve bir yarı iletken fotokimyasal yük taşıyıcıların genel kinetik modele atıfta bulunarak yorumlanır. tarif edilen teknikler organik ve inorganik fotovoltaik malzeme, nanopartiküller içeren optoelektronik malzeme, geniş bir yelpazede uygulanabilir ve ince filmler yarı iletken / iletken.

Introduction

Flash photolysis zamana bağımlı mikrodalga iletkenlik (FP-TRMC) o yük taşıyıcı rekombinasyon süreçleri araştırmak için ideal bir aracı yapma, ns-us zaman ölçeğinde fotoğraf heyecanlı yük taşıyıcılarının dinamiklerini izler. ince film yarıiletkenlerdeki fotoğraf kaynaklı yük taşıyıcıların çürüme mekanizmalarının anlaşılması fotovoltaik cihaz optimizasyonu da dahil olmak üzere uygulamalar, bir dizi kilit öneme sahiptir. kaynaklı taşıyıcı ömürleri genellikle kaynaklı taşıyıcı yoğunluğu, dalgaboyu, hareketlilik, tuzak yoğunluğu ve yakalama oranı fonksiyonları bulunmaktadır. Bu kağıt taşıyıcı dinamik bağımlılıkları (yoğunluk, dalga boyu, mikrodalga frekansı) ve yorumların geniş bir yelpazede soruşturma zamanı Çözülmüş Mikrodalga İletkenlik (TRMC) tekniğinin çok yönlülüğünü gösteriyor.

Işıkla ücretleri kendi hareketlilik ve Degre bağlı gerçek ve bir malzemenin dielektrik sabiti hayali parçaları hem değiştirebilir hapsi / yerelleşme 1 e. Bir malzemenin iletkenliği Denklem karmaşık dielektrik sabiti ile doğru orantılıdır

Denklem

nerede Denklem Mikrodalga elektrik alanının frekansı, Denklem ve Denklem dielektrik sabiti gerçek ve sanal kısımları vardır. Bu durumda, iletkenlik, gerçek kısmı dielektrik sabiti hayali bölümü ile ilgilidir, ve iletkenlik (daha sonra kutuplaşma olarak anılacaktır) hayali bölümü rezonans frekansında bir değişim ile ilişkili ise, mikrodalga emme üzerine eşlenebilir mikrodalga alanının 1.

t "> TRMC diğer tekniklere göre çeşitli avantajlar sunuyor. Örneğin, DC fotoiletkenlik ölçümleri elektrotlar ile malzeme temas kaynaklanan. Geliştirilmiş rekombinasyon elektrot / malzeme arayüzünde, geri ücretleri enjeksiyon bu arayüz üzerinden komplikasyonların bir dizi muzdarip, hem de eksitonlar ve geminate çiftleri gelişmiş ayrışma itibariyle vadesi uygulanan voltaja 2 ölçülen taşıyıcı hareketlilik ve yaşamlar çarpıklıklara yol açarlar. Buna karşılık için, TRMC kişileri arasında transferini şarj nedeniyle Sapmayan taşıyıcıların içsel hareketliliği ölçen bir electrodeless tekniktir .

Taşıyıcı dinamikleri için bir prob olarak mikrodalga gücünü kullanarak önemli bir avantajı da yük taşıyıcılar, çürüme mekanizmalarının bozunma ömürleri izlenmesi olarak / yollar da incelenebilir olmasıdır.

TRMC toplam hareket 3 ve ömrünü belirlemek için kullanılabilirindüklenmiş yük taşıyıcıların süresi 4. Bu parametreler daha sonra, doğrudan ve tuzak aracılı rekombinasyon mekanizmaları 3, 5 arasında ayırt etmek için kullanılabilir. Bu iki ayrı bozunma yollarının bağımlılığı kantitatif taşıyıcı yoğunluğu 3, 5 ve uyarım enerji / dalga boyu 5 bir fonksiyonu olarak analiz edilebilir. Kaynaklı taşıyıcıların yerelleştirme / lohusalık (dielektrik sabiti gerçek bir parçası vs hayali) kutuplanabilirlik 5 vs iletkenlik çürüme karşılaştırılarak incelenebilir.

Buna ek olarak, ve belki de en önemlisi, TRMC yük taşıyıcı bozunma yollar olarak hareket tuzak durumları karakterize etmek için kullanılabilir. Yüzey tuzakları, örneğin, unpassivated örneklerin 6 vs pasifize karşılaştırarak toplu tuzakları ayırt edilebilir. Alt bandaralıklı devletler candoğrudan alt bandaralıklı uyarma enerjileri 5 kullanılarak araştırılmalıdır. Tuzak yoğunlukları TRMC verileri 7 oturtulması ile çıkarılabilir.

, Nanotüpler 1, organik yarı iletkenler 12, maddi karışımları gibi silikon 6, 8 ve TiO2 9, 10 gibi geleneksel ince film yarı iletkenler 11 nanopartiküller: nedeniyle bu tekniğin çok yönlülük, TRMC gibi malzemelerin geniş bir yelpazede çalışma uygulanmıştır 13, 14, ve hibrit fotovoltaik malzeme 3, 4, 5.

TRMC kullanılarak niceliksel bilgileri elde etmek için, doğru bir sayı tespit edebilmek için çok önemlidirBelirli bir optik uyarma için fotonlar emilir. İnce filmlerin, nanopartiküller, çözeltiler ve opak numunelerin emme ölçülmesi için yöntemler, farklı olduğundan, burada sunulan örnek hazırlama ve kalibrasyon teknikleri ince film örnekleri için özel olarak tasarlanmıştır. Ancak, sunulan TRMC ölçüm protokolü çok genel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Numune Hazırlama

Dikkat: Bu protokolde kullanılan bazı kimyasallar sağlığa zararlı olabilir. Herhangi bir numune hazırlama gerçekleşmeden önce ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formlarını danışın. Uygun kişisel koruyucu ekipman (laboratuvar mont, koruyucu gözlük, eldiven, vb) ve mühendislik kontrolleri (örneğin torpido gözü, davlumbaz, vb) perovskit öncüleri taşıma ve çözücüler yararlanın.

NOT: Bu bölümün amacı alt-tabaka üzerinde muntazam bir kalınlığının ince bir film meydana etmektir. Bu prosedür, örnek perovskit organo-kurşun halid özel olmakla birlikte, bu buhar çöktürme, sıkma kaplama ve püskürtme, vb önemli sonuç düzgün bir ince film de dahil olmak üzere örnekler ve örnek hazırlama teknikleri bir dizi için modifiye edilebilir.

  1. substrat Temizleme
    1. ultrasonik banyoda kuvars (veya düşük demir cam) alt tabaka yerleştirin30 dakika boyunca deterjan.
    2. izopropanol ile daha sonra ultrasonik saf su ile tedavi ve tekrarlayın.
    3. bir azot eldiven kutusu içine aktarmak için hemen önce, 30 dakika boyunca azot plazma altında suyla substratlar yerleştirin.
  2. CH 3 NH 3 PBI 3 interdifüzyon yöntemi 15 kullanarak Perovskite numune hazırlama
    Not: Aşağıdaki adımlar azot torpido gözünün yapılmaktadır.
    1. Bir örnek flakon PBI 2 461 mg ekleyin ve bir azot torpido gözüne aktarın.
    2. karışık 85:15 DMF / DMSO çözücüsü ile ilgili susuz dimetilsülfoksit 150 uL (DMSO) susuz dimetilformamid 850 uL (DMF) ekleyin.
    3. Çözücü DMF / DMSO PBI 2 ekleyin ve PBI 2 tamamen çözülene kadar manyetik bir karıştırıcı ile karıştırılır iken 100 ° C'de ısıtın.
    4. 0.2 mikron PTFE ile PBI 2 çözüm FiltreTemiz bir örnek şişesine filtre ve 100 ° C ocak dönün.
    5. Susuz izopropanolde 50 mL CH3 I NH3, 50 mg eritin.
    6. (Oda sıcaklığında) bir cam alt-tabaka üzerine sıcak PBI 2 çözeltisi 80 ul dağıtmak ve 30 saniye ince PBI 2 ön-madde bir film oluşturmak için hemen 5000 rpm'de döndürün.
    7. PBI 2 filmin merkezi üzerine 3 NH 3 kişi çözüm doğrudan CH 300 uL hacmi enjekte edilir ve hemen 30 saniye süreyle 5,000 rpm'de kaplamaz bu çözüm dönerler.
      Not: Bu adım CH3 NH3 I çözeltisinin bir tek emin dağıtımda ile yapılmalıdır. Bu ortaya çıkan filmin kalitesini etkiler olarak istenmeyen damlamaları önlemek için dikkatli olun.
    8. ön-madde film perovskit yapıya kristalize şekilde 2 saat boyunca 100 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde örnek yerleştirin. Elde edilen CH 3 NH 3 PBI 3 filmi smo olmalıdırBir ayna gibi bir yüzeye sahip Oth, ve yaklaşık 250 nm kalınlık.
  3. örnek kapsülleme
    NOT: Bu adım, atmosferik bozulmalara uğradığı, numuneler için gereklidir.
    1. 1 ml susuz klorobenzen içinde poli (metil metakrilat) (PMMA), 10 mg çözülür. Spin kat 30 s için 1000 rpm'de PMMA çözeltisi 50 ul örnek.

2. Örnek Karakterizasyon

  1. Tedbir örnek kalınlığı
    1. Bir arkadaşı numunesi üzerinde küçük bir çizgi etch. Bir profilometre kullanarak bu etch yakın yüzeyi tarayın. film kalınlığı L. belirleyin
      NOT: Örnek bir ışık ücretsiz (Alüminyum folyo kaplı örneğin) saklanmalıdır kullanıma hazır olana kadar oksijen içermeyen (örneğin azot) ortamında.
  2. Absorpsiyon spektrumu ölçmek
    NOT: Bu ölçümün ayrıntıları op vs gibi tozlar (numune bağlı olarak değişiryarı saydam filmler vs Aque filmleri). Aşağıdaki prosedür, yarı saydam ince film örnekleri için tasarlanmıştır. Bu bölümün amacı (bant-boşluğu, Eksitonik özellikleri, vb belirlemek gibi), ve F, ilgi her dalga boyunda gelen fotonların vs emilen fotonların kesir hesaplamak için araştırmak için ilgi dalga boylarını tespit etmektir.
    1. Uygun bir spektrofotometre numune tutucu örnek substratı (örneğin cam slayt) yerleştirin. Kayıt arka plan yansıma (R (λ)) ve geçirgenlik üreticinin talimatlarına göre (T (λ)) spektrumları. Not: BaO 4 gibi yansıma standardı da doğru bir taban çizgisi elde etmek için kullanılabilir.
    2. üreticinin talimatlarına uygun olarak (T (λ)) örnek ile alt-tabakanın takın ve yansıtma (R (λ)) ve transmitans kaydedin. Doğru spektrumları elde etmek için arka plan ölçümü çıkarın.
      NOT: opak numuneler için, olarakBir Küre eki ile pectrophotometer kullanılmalıdır. dağınık yansıtıcılık bölüm 2.2.1-2 olarak ölçülür, bununla birlikte örnek bir üreticinin talimatlarına göre, entegre kuresının arka kısmına yerleştirilmesi gerekir.
    3. absorpsiyon katsayısı üzerinden hesaplayın:
      Denklem
      Not: d cm filmin kalınlığıdır.
    4. aracılığıyla gelen fotonların vs absorbe sayısını hesaplayın
      Denklem
      NOT: emme katsayısı ve örnek kalınlığı L aynı birimler olduğundan emin olun.
    5. muayene emilme tayfı ilgi dalga boylarında belirleyin. Bu bant kenarında ya da bant kuyruk optik geçişler veya dalga boylarını içerebilir. Bu dalga boylarında her birinde F a dikkat edin.
      NOT: Aşağıdaki kalibrasyon işlemleri deney hemen önce yapılmalıdır.

3. Lazer Gücü Kalibrasyon

NOT: Bu bölümde, Şekil 3'te optik uyarma şemasına bakınız. Opos gibi ayarlanabilir dalga boyu lazerler her dalga boyunda kaplini gerektirir.

  1. Çift bir fibere serbest uzay lazer
    NOT: Mevcut lazer zaten fiber birleştiğinde ise, bu bölümü atlayın.
    NOT: Off-eksenli parabolik ayna fiber kuplörler aynada tüm dalga boyları olay örnek noktasına odaklı, yani akromatik vardır. Bunun bir sonucu olarak, bir elyaf bir dalga boyunda boş alan lazer bağlanabilir ve her dalga boyunda ayarlamaları gerektirmez. Bu adım, herhangi bir başka ölçüm yapılmadan önce yapılmalıdır
    NOT: Bir TRMC boşluğu ve boş alan lazer kullanarak optik kurulum tasarlamak mümkündür, doğru ve tekrarlanabilir emilen lazer gücünü karakterize biraz daha zor olabilir, ancak.
    1. Üreticinin protokol gereği istenen değere (örneğin 750 nm) olay dalga boyu ayarlayın. Sabit dalga boyu lazer, bu adım gerekli değildir.
    2. Görünür çapraz kirişler için lazer ışını profilini kontrol edin. Bu varsa, sadece merkezi Gauss ışın fiber coupler geçmek için izin süsen kullanın.
    3. olay lazer ışını ayna optik ekseni ile aynı hizada olacak şekilde bir eksen dışı parabolik ayna lif kuplörünü hizalayın.
    4. lif coupler ve bir güç sensörü fiber optik bağlayın. Fiber çekirdek daha büyük, daha fazla ışık elyaf halinde birleştirilebilir. A 1 mm çekirdek NA 0.48 lif etkili çalışıyor.
    5. Fiber Kuplörün eğimini ve açısını ayarlarken güç sensörü ile fiber çıkış gücünü izleyerek düşük güçte fiber bağlantıyı en üst düzeye çıkarmak. Sensör tarafından ölçülen güç bir lo fiber bağlantı eğim açısı sonucu (yani herhangi bir ayar ekranı kaplamış optimum kavrama elde edilirwer güç ölçümü)
      Not: hizalama kötüyse, bu lifin dış kaplama zarar mümkündür. Bir tıkırtı sesi bir delik kaplama yandı olduğunu gösterir. Bu durumda, derhal lazer kapatın ve düşük güçte Kuplörün bir kaba hizalama işlemini yapın.
    6. Yavaş yavaş lazer gücünü artırmak ve 3.1.5 gibi kaplin rafine.
  2. Kavite kayıp faktörü ölçmek
    Not: Bu bölüm, Bölüm 3.1'de ana hatları çizildiği elyaf bağlama işleminden sonra yapılmalıdır.
    1. Uygun bir güç sensörü kullanarak fiberden geçirilen gücü ölçün. Bu ölçüm boşluğu içine elyaf bağlamadan önce gerçekleştirilir.
    2. numunenin gücü ölçün. Kavite birlikte vidalı 4 çeyrek dalga plakaları oluşur, bu en kolay yoldur (Şekil 4). doğru ve tekrarlanabilir Bunu yapmak için, boşluğu sökerek numune bir maskeye numune tutucu boyutunu yerleştirinkonumlandırmak ve maske ile dedektör ulaşan lazer gücünü ölçün.
    3. numune ölçülen güç tarafından fiber ölçülen lazer gücünü bölerek kavite kayıp faktörü hesaplayın. Bu ölçüm, hesap geometrik kayıplara yanı sıra kurulum uzadıya bileşenlere bağlı kayıplar dikkate alır.
    4. ilgi her dalga boyu için bu ölçümü tekrarlayın.

4. Boşluklu içine Örnek Montaj

  1. Numune kez eklenen boşluğunda merkezli şekilde tasarlanmış bir teflon numune tutucuya örnek, yerleştirin.
  2. boşluğun optik giriş bakan ince bir film ile, maksimum elektrik alanı bir yerde boşluk içine numune tutucu yerleştirin. Şekil 4, boşluk ve numune tutucu ayrıntılı bir şemasını göstermektedir.

5. Boşluk Hassasiyet Kalibrasyon 14

NOT: Aşırı fotoğraf ücret oluşturulantaşıyıcılar örnek iletkenlik bir değişikliğe yol Denklem Boşluğu yansıyan mikrodalga gücüyle bir azalma ile sonuçlanır (Sm-1) Denklem . Iletkenlik 17 küçük değişiklikler için, mikrodalga güç değişim kavite duyarlılık faktörü üzerinden iletkenlik değişikliği ile orantılıdır Denklem :
Denklem
iletkenliğindeki değişikliğin Denklem Örnek toplu iletkenlikteki değişikliği ile ilgilidir ve Denklem üzerinden Denklem
NOT: Bu kalibrasyon taşıyıcı hareketlilik şarj etmek için mikrodalga gücü dönüştürmek için gereklidir. amaç iseÇalışma dinamiklerini karşılaştırmak veya göreceli sonuçlar elde etmek için değildir, bu kalibrasyon gerekli değildir.
NOT: Bu bölümde, Şekil 5'te mikrodalga algılama kurulum bakın.

  1. (Bir saptama diyot veya IQ modülasyon dedektör çıkış gibi) sadece algılama önce devredeki noktasına bir ağ analizörü sirkülasyon giriş portu bağlama 1. port 2 için bir ağ analizörü bağlantı noktası 1 bağlayın. Devresinin rezonans eğrisi elde etmek amacıyla, bir 2-bağlantı S21 ölçüm olarak (takılı örnek yani) yüklenen boşluğundan, yansıyan gücü ölçmek. 14
    NOT: kavite dış mikrodalga algılama devresi ile eşleşti değilse, rezonans eğrisi devresinde kavite vs tek başına kavite için farklı olacaktır. Böylece, boşluktan bir liman yansıma ölçümü gibi değil rezonans ölçmek iyidir, ama doğrusu 2 bağlantı noktası olarak 'yansıma' ölçüm thrsirkülatör ough.
    Not: rezonans frekansı esas olarak, kavite geometrisine göre belirlenir kullanılır. herhangi bir mikrodalga frekansı prensip olarak kullanılabilir, ancak TRMC için tipik rezonans frekansları, X bandında (~ 10 GHz) ve S-bandı (~ 34 GHz) bulunur. Bu yazıda, bir X-bant boşluğu ile karşılaştırıldığında daha geniş bir örneklem alanı sunarken benzer bir mikrodalga tepkisi sağlar 6.5 GHz, ~ bir rezonans frekansı ile bir boşluğu kullanın.
  2. kalite faktörü optimize, Denklem , Rezonans dip gözlemleyerek ayar vidası ile boşluğun derin ve dar olur.
    NOT: Q faktörünü en iyi duruma getirme mutlaka kavite tepki süresi Q faktörü hassasiyetini artırır artırırken Q maksimize anlamına gelmez Denklem da artar. Daha yüksek zamansal çözünürlük elde etmek için duyarlılığı azaltmak için tercih edilebilir. Eğer Q, bir bozuk güç ölçümü ile sonuçlanan büyük ise foto indüklemeli yük taşıyıcıları önemli ölçüde malzemenin dielektrik sabitine ve değişiklikler rezonans frekansı, geçici boşluk bant dışında kayabilir. Bu gibi durumlarda, hafif rezonatör aşırı kuplajdan yansıyan gücün doğruluğunu geliştirmek olabilir.
  3. Ölçüm ve bölüm 5.1.1 tarif edildiği gibi bir ağ analizörü kullanarak optimum rezonans eğrisi kaydedilir.
  4. Konu P doğrusal ölçekte / P olayı yansır ve Şekil 6'da gösterildiği gibi, bir Lorentzian olarak doğrusal olan taban düzeltilmiş Şekil uygun.
  5. Yüklenen kalite faktörünü hesaplamak Denklem , üzerinden:
    Denklem
    NOT: Nerede Denklem rezonans eğrisinin yarısı maksimum (FWHM) tam genişliği vetirme "src =" / files / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> rezonans frekansı.
  6. 14 ile boşluğun boşluğu duyarlılığı faktörü a (Ω cm) hesaplayınız:
    Denklem
    nerede Denklem rezonans frekansı olay gücüne yansıyan oranı, olduğu Denklem Yüklenen rezonans frekansı, Denklem Rezonans frekansı, Denklem Rezonans frekansında malzemenin dielektrik sabiti olan Denklem boş alan (F / cm) geçirgenliği olduğunu.
    NOT: Bu formül örnek bütün boşluğunu doldurur varsayar.
  7. Numune Geometr için duyarlılık faktörü düzeltinY:
    Aşağıdaki düzeltme faktörleri boyutta ince bir film numunesi [w x L × W] (maksimum elektrik alanda yani) z = 0 d / 4 boşluğun merkezli, (L << d) için geçerlidir. Burada L numune kalınlığının (cm), a ve b, dikdörtgen boşluğun uzun ve kısa kenarları sırasıyla d boşluğun (cm) uzunluktadır. geometri düzeltilmiş duyarlılık faktörü Ã verilir:
    Denklem
    C z, C xy nedeniyle z ve xy doğrultusu boyunca kavite alanı eksik dolum düzeltme faktörleri nerede, tarafından verilen:
    Denklem
    Denklem

6. Tek TRMC Geçici Ölçülmesi Prosedürü

  1. Optimum ölçüm parametrelerini belirlemek: elle sinyal bulmak
    NOT: Yalvarmase protokolünün aşağıdaki bölümleri okumadan önce Şekil 2'de sunulan deneysel şemasına bakınız.
    NOT: elle veya uygun bir yazılım kullanarak ya da yapılabilir mikrodalga algılama devresi kurma. Tipik olarak, her yeni bir örnek için (örneğin, rezonans frekansı, mikrodalga güç, tetikleme konumuna ve zaman temel olarak) ölçüm parametreleri bilinmemektedir ve / tespit sinyali optimize etmek için ayarlanmalıdır. Bu genellikle elle yapılır. Sinyal tespit edildikten sonra, ölçüm parametreleri daha sonra ölçüm işlemi otomatikleştirmek için kullanılan MATLAB (veya diğer) komut girilir.
    1. Ayarlama bölümü 2.2.5 belirlenen ilgi konusu bir dalga boyunda lazer.
    2. Lazer ayarlanabilir güç ayarı varsa, üreticinin talimatlarına göre, maksimum çıkış gücü ayarlayın. (Bu bir enerji düğmesini ayarlayarak manuel içerebilir, ya da lazer bağlı yazılımı ile yapılabilir).
    3. Zaten (bağlayınBir güç sensörüne) fiber optik birleştiğinde, ve bir güç ölçer kullanılarak fiberden geçirilen lazer gücünü ölçün. Fiber, bu aşamada boşluğa bağlı değildir.
      NOT: Çok kısa atımlı lazerler için, bu genellikle en iyi çok yüksek güçlerde zamansal doygunluğu, hatta dielektrik arıza uğrayabileceği diyot sensörleri, yerine sensörler termal (ortalama güç) kullanılarak yapılır.
    4. istenilen güç seviyesine lazer gücü azaltmak için nötral yoğunluk (ND) filtreleri kullanın.
      NOT: filtreleri kullanmak daha düşük bir seviyeye gücünü ayarlamak olup mümkündür, ancak daha kesin bir güç okuma için yüksek bir gücü ölçmek azaltarak elde edilebilir.
    5. Bu uyarım yoğunluğu ile N pH emilen fotonların sayısı / cm2 / darbe hesaplayın:
      Denklem
      Denklem
    6. boşluğuna fiber bağlayın.
    7. Şekil 5'te gösterildiği gibi, algılama devresi ayarlayın.
      NOT: Bir vektör şebeke analizörü, bu ölçümler yapmak için kullanıldı; Bununla birlikte, bir güç sensörü gibi bir mikrodalga diod kullanılarak, örneğin, alternatif bir mikrodalga algılama setup kullanmak mümkündür.
    8. şebeke analizörü kullanarak kurulum için bölüm 5. ölçüldüğü gibi, yüklü boşluğunun rezonans frekansına mikrodalga kaynağı frekansını ayarlamak, bu sürekli frekans çıkışını sağlayan ve manuel çıkış mikrodalga frekansı girerek içerir.
    9. 0 dBm mikrodalga gücünü ayarlamak.
    10. lazer kullanarak ağ analizörü (veya alternatif detektörü) tetikler. lazer darbe montaj için bir temel olarak kullanmak için önce 'karanlık' sinyali birkaç mikrosaniye ile sinyalin yükselişini yakalamak için gerekli ofset tetiği belirleyin. Iyi sinyal uzunluğu 1/10 ofset tetiği işleri Ayarı (örneğin sinyal 100 s uzun ise, o zaman baseline tetik) 10 ms ile telafi edilmelidir. Bu, "dış" tetik modunu değiştirmek ve sinyal bulunana kadar ofset tetiği ayar içerir.
    11. geçici kuyruk daha uzun ilk çürüme olduğunu çok ağ analizörü (veya alternatif dedektör) bu tür bir zaman tabanını ayarlayın. Genellikle, sinyal gürültü kata çürümüş olduğunu (doğrusal bir ölçek üzerinde) belirir dahi devam ederse uzun bir kuyruk var.
      NOT: Kullanılan zaman tabanı yeterince uzunsa, bir ortalama TRMC geçici kaydetmek ve daha sonra bir log-log ölçeğinde arsa belirlemek.
  2. Ham geçici ölçün
    NOT: TRMC veri suit alırken Genellikle, ölçüm işlemi mikrodalga kaynağı ve dedektör ile arabirim ile otomatiktir. Bu yazıda, bir ev yapımı MATLAB komut mikrodalga çıkışı (Frekans'ı ve güç) ayarlamak için kullanılır olmuştur ve aynı zamanda ölçüm edinimi yapılandırmak için (ölçüm süresi baz, tetik ofset, numara of ortalamalar).
    1. Ölçümler, giriş mikrodalga frekans ve güç yanı sıra deney komut dosyası içine yukarıdaki bölümde tespit edilmiştir edinme tetik ofset ve ölçüm zaman tabanı otomatik ise.
    2. sürekli lazer darbe ederken, ölçmek ve bir ağ analizörü (veya alternatif dedektör) bir TRMC çürüme geçici kaydedin. darbeli lazer atış-to-shot güç değişimleri telafi etmek için (S / N, tek bir atış ölçümü ile çok yüksek olsa bile) Ortalama en az 100 izleri. Ölçümler otomatik ise, bu deney komut çalıştırarak yapılır.
      Not: Şekil 7 'de gösterildiği gibi, Ortalama alma, özellikle uzun küçük genlikli bozunma kuyrukları ile numuneler için, yeterli bir sinyal-gürültü elde etmek için gerekli olabilir.
      NOT: Pozitif ve negatif 'lob' ile Ters geçici veya geçici, mikrodalga frekansı kavite rezonans frekansı olmadığını gösterebilir. s ayarlayıngeçici sinyal kadar ource frekansı maksimize edilir.
    3. boşluğundan lif ayırın ve optik port kap. rezonatör hala numune ile bir önceki adımda olduğu gibi ortalamalar aynı sayıda okuma bir arka plan, alın, ama artık ışıklandırılmış.
    4. Sinyal izleme arka plan iz çıkarın.
  3. Şarj taşıyıcı başına hareketlilik ham verilerin işlenmesi
    1. aracılığıyla yansıyan gücü değişimini hesaplamak
      Denklem
      NOT: Nerede Denklem olduğu (aydınlatma öncesi) ham geçici bazal değer ve Denklem Ham geçici veridir.
      NOT: Dedektör ölçer değil gücü (örneğin Diyot + osiloskop) gerilimi, sonra bir ölçeklendirme faktörü dahil edilmelidir. ölçekleme faktörü genellikle d alıntıiyot üretici; aksi takdirde, giriş mikrodalga gücüyle vs çıkış voltajının bir kalibrasyon yapılarak elde edilebilir.
      Denklem
    2. (Yani geçici rescale) yük taşıyıcı başına hareketlilik yansıyan gücü değişimini üzerinden dönüştürmek:
      Denklem
      NOT: Nerede Denklem Lazer darbesinin sonuna karşılık gelir, Denklem Bir elektronun yükü olduğu, Denklem Kısa ve uzun boşluğun boyutları arasındaki orandır Denklem olan cm2 başına emilen fotonların sayısı ve Denklem (Ω) yansıyan mikrodalga p ile ilgiliiletkenlik ΔG değişimine ower. Bu Yeniden ölçekledikten farklı lazer yetki ve dalga boylarında alınan TRMC geçici anlamlı karşılaştırma için izin verir.
      NOT: Denklem elektron ve deliklerin toplam hareketlilik aslında. Ancak, TRMC kullanarak bu katkıların ayırt edemez ve bu nedenle biz basitlik için onları bir arada götürü.
    3. Uygun bir model ile TRMC iz takın.
      NOT: Veri tek veya çift üstel formunu aşağıdaki Bu basit. Ancak, veriler bir ODE çözümü uydurma ilgili bir kinetik model, veri sığdırmak için gerekli olabilir basit bir form var (bakınız Şekil 7). Uydurma denklem / model bir araç tepki fonksiyonu ile convolved edilmelidir (örn Gauss bir genişlik verilerinin zamansal çözünürlüğe sınırlar cihazın tepki süresi karşılık gelen t = t lazer merkezli.) </ Li>

7. İletkenlik Gerçek ve Sanal Bileşenleri incelenmesi

  1. Ölçüm TRMC mikrodalga prob frekansının bir fonksiyonu olarak izleri
    NOT: (kompleks) iletkenlik dinamikleri gerçek (iletkenlik) içine yıkılıp edilebilir ve çoklu TRMC alarak hayali (polarizasyon) bileşenleri yüklü boşluğunun rezonans eğrisi kapsayan mikrodalga frekanslarında izler.
    1. rezonans frekansını belirlemek Denklem S21 boşluğu rezonans eğrisinden karanlıkta numune ile boşluğun (bakınız Şekil 6).
    2. x> 20 frekans noktalarını seçin Denklem Bu rezonans eğrisi boyunca. Bu noktalar bir Lorentz işlevi sığdırmak için kullanılacak, çok koyu rezonans frekansı f c yakın daha fazla puan varsa en iyisi (bkz Şekil 9).
    3. Ilgi kutuplaşma dinamikleri bağlı dalgaboyu ayarlayın (serbest taşıyıcı kutuplaşma, tuzağa şarj kutuplaşma için alt bandaralıklı için bandaralıklı yukarıda örneğin).
    4. maksimum lazer gücü (bu en yüksek S / N verecek) ayarlayın.
    5. lif dışarı lazer gücünü ölçün. Karanlıkta boşluğun rezonans frekansı prob mikrodalga frekansı ayarlama Denklem .
    6. bölümünde ölçümü için sabit bir lazer yoğunlukta, yukarıda tarif edilen 6 tekrarlayın tarif edilen bir TRMC iz elde edilir Denklem .
  2. Frekans verileri post-processing: Gerçek ve hayali bölüme yapısızlaştırmanın
    1. Arsa TRMC geçici güç Denklem Bir fonksiyon, zaman ve prob mikrodalga frekansı olarakES / ftp_upload / 55232 / 55232eq116.jpg "/>, Şekil 8'de gösterildiği gibi.
    2. Arsa Denklem ve Denklem Şekil 8'de gösterildiği gibi, t = 0 ve t TRMC gücü = Her mikrodalga frekansı lazer darbesi.
    3. zaman içinde her bir kesiti için Denklem Bir rezonans eğrisi oluşturmak Denklem .
    4. Rezonans frekansı elde etmek için bir Lorentz bu eğriye uyacak Denklem Ve rezonans güç Denklem .
    5. Arsa Denklem vs Denklem histerezis gibi polar elde etmek üzereleştirilmesi evrim arsa (Şekil 8 vaziyettedir bakınız).
    6. normalize geçici frekans ve üzeri geçici güç kayması hesaplayın:
      Denklem
      Denklem
    7. Rezonans frekansı değişiklik Konu Denklem , Rezonans gücü değiştirmek Denklem ve kavite merkez frekansında geçici güç değiştirmek Denklem Şekil 10 'de gösterildiği gibi.

8. Şiddeti Bağımlı Data Suite

  1. Ayarlama bölümü 2.2.5 belirlenen ilgi konusu bir dalga boyunda lazer.
  2. maksimum lazer gücünü ayarlayın.
  3. lif dışarı lazer gücünü ölçün.
  4. boşluğuna fiber bağlayın.
  5. 6. bölümde belirtildiği gibi tek bir TRMC geçici edinin.
  6. her yerde lazer ve fiber arasında bir ND filtresi takın (ya iki gözbebekleriyle arasında, ya da sadece lif coupler önce. Bir lif çıkışı ile lazerler için, ND filtre elyaf çıkışı ve kavite optik port arasına yerleştirilmesi gerekir).
  7. Hesaplayın ve 6.1.5 de açıklandığı gibi emilen fotonların modifiye numarasını kaydedin.
  8. 6. bölümde belirtildiği gibi tek bir TRMC geçici edinin.
    Not: zayıflatma arttıkça, ortalamalar sayısını arttırmak için gerekli olacaktır.
  9. gerektiği gibi ND filtre gibi birçok kombinasyonları 8.68.8 tekrarlayın.
    NOT: Yoğunluk bağımlılıkları genellikle büyüklükte birkaç sipariş üzerine görülmektedir. Yüksek güç limiti, belirli bir dalga boyunda maksimum çıkış lazer gücü ile ayarlanır. düşük güç sınırı algılama kurulum hassasiyeti ayarlanır.

9. Dalgaboyu Bağımlı Data Suite

NOT: ord olarakfarklı dalga boylarında TRMC transientleri karşılaştırma er lazer daha sonra bağlı bir taşıyıcı konsantrasyonu sabit olduğu şekilde, her dalga boyunda kalibre edilmelidir.

  1. Elde edilebilecek maksimum indüklenmiş yük taşıyıcı yoğunluğu N taşıyıcıları sınırlar dalga boyu belirleyin. Bu, dalga boyu ya da numune emme özellikleri ile uygun lazer gücü ile sınırlı olabilir. Yukarıda arası ve alt bandaralıklı rejimi kapsayan dalga boyunda TRMC ansılların ölçerken Örneğin, alt bandaralıklı dalgaboylarında düşük emilim maksimum taşıyıcı yoğunluğu sınırlayacaktır.
  2. Kullanarak her dalga boyunda bu sabit referans taşıyıcı yoğunluğu N taşıyıcıları üretmek için gerekli lazer gücünü hesaplayın:
    Denklem
  3. Ayarlama, istenen dalga boyu lazer. 9.2'de hesaplanan değere lazer gücünü ayarlayın. boşluğuna fiber bağlayın. belirtildiği gibi, tek bir TRMC geçici elde edilirbölüm 6. ilgi her dalga boyu için yineleyin 9.3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Burada yer alan Örnek sonuçlar 250 nm CH3 NH3 PBI 3 ince film numunesi elde edildi.

iletkenlik dinamikleri Denklem yük taşıyıcıların dinamikleri ile ilişkili olabilir Denklem üzerinden

Denklem

Bu yük taşıyıcı mobilite varsayarak Denklem En azından çürüme zaman ölçeğinde, zamanla sabittir. conductanc Dahası, başlangıçta oluşan yük taşıyıcıların herhangi rekombinasyon varsayılarak lazer darbesi sırasında oluşan maksimum (sonu nabız) ​​Değişime şu şekilde yazılabilir:

Denklem
Denklem

nerede Denklem Bir elektronun yükü olduğu, Denklem Maksimum fotokimyasal yük taşıyıcı yoğunluğu, Denklem numune üzerinde foton yoğunluğu olaydır (fotonlar / cm 2), Denklem İç kuantum verimi ve Denklem absorpsiyon spektrumu hesaplanabilir, belirli bir dalga boyunda absorbe gelen ışığın fraksiyonu (Figür bkz olduğue 1). TRMC zirve Denklem Bu nedenle örnek içsel (mikrodalga) yük taşıyıcı mobilitesi karşılık gelir.

Bu alıntı iletkenlik filmi 14 boyunca ortalama iletkenlik olduğuna dikkat etmek önemlidir, Denklem . Yukarıdaki açıklamalar bu güç dağılımı tek tip örnek boyunca genellikle yeterince düşük bir optik yoğunluk örnekler için geçerlidir numune boyunca homojen bir fotoindükleme ürünü olan bir taşıyıcı yoğunluğu kabul. (Beer-Lambert yasası ile yaklaşık olarak alınabilir) kaynaklı yük taşıyıcı homojen olmayan fotokimyasal iletkenlik degrade analizi komplike olsa da, doğru nicemleme etkilemez değil Denklem , Iletkenlik toplam değişim ind olduğundanTaşıyıcı konsantrasyon farkı ependent. Ancak, düzgün olmayan taşıyıcı konsantrasyonu numunedeki yüksek mertebeden doğrusal olmayan süreçleri etkileyebilir.

Doğrudan ve tek seviyeli tuzak aracılı rekombinasyon ile genel bir model 7'nin altında gösterilmiştir.

Denklem
Denklem
Denklem

nerede Denklem elektron delik ve tuzak topluluklardır, Denklem nesil oranı, Denklem bimolecular rekombinasyon oranı, yakalama hızı ve tuzak r vardırsırasıyla ecombination oranı. Böyle bir Gauss alet tepkisi fonksiyonlu kıvrık, yukarıda tarif edilen gibi bir kinetik model ile TRMC veri takılarak, taşıyıcı ömürleri ve tuzak yoğunlukları belirlemek için değil aynı zamanda doğrudan ve tuzak aracılı rekombinasyon işlemleri karakterize edebilmek için mümkündür. Şekil 7 Tablo 1'deki parametreleri kullanarak bir temsilci uyum göstermektedir.

Özel bakım uygun parametrelerin benzersizliğini belirlenmesinde alınmalıdır. Ücretsiz deneyler zaman ölçekleri biri (çözülmüş PL ölçüm doğrudan rekombinasyon oranı elde etmek için kullanılabilir, örneğin bir zaman doğrulamak için gerçekleştirilebilir, eğer yararlıdır.

Bir çürüme kuyruk veri mevcut ise, doğru bir şekilde bu kuyruk çürümesine temsil etmek yeterince uzun veri elde etmek önemlidir: uydurma aynı veri di neden olabilir kısa bir süreye kadar kırpılmışfferent zaman ölçekleri. Düşük yoğunluk çürüme kuyrukları kuyruk enstrümanın ses zemine kaybolur doğru sığdırmak için özellikle zor olabilir.

Bizim kurulum için zamansal çözünürlük yaklaşık 60 ns tepki süresine sahip vektör ağ analizörü, tepki süresi ile sınırlıdır. Burada sunulan ölçümler için Q faktörü yaklaşık karşılık gelen bir boşluğu tepki süresi ile, yaklaşık 150 m uzaklıktadır. 7 ns. Daha hızlı bir tepki süresi (örneğin mikrodalga diyot ve osiloskop) ile alternatif mikrodalga algılama kurulumları için, kavite ömrü zamansal çözünürlüğe sınırlayabilir.

TRMC çürüme mikrodalga frekansı bağımlılığı gerçek (iletkenlik) içine karmaşık iletkenliği ve hayali (polarizability) bileşenleri yapısızlaştırmak kullanılabilir. Şekil 8, kapsayan, prob mikrodalga frekansının bir fonksiyonu olarak alınan ham TRMC izleriKaranlık boşluğunun rezonans eğrisi boyunca 23 frekansları. Sol tarafta 3 temsilci izleri (ham veri) bulunmaktadır. rezonans çıkarmış veriler olumlu ya da olumsuz lob ile, çarpık çürüme profili gösterebilir, hatta ters hale unutmayın. Sağda zaman ve frekans P bir fonksiyonu olarak mikrodalga güç bir 3D temsilidir (t, f). t = 0 'de, TRMC taban yüklenen boşluğun rezonans eğrisi yeniden. güç ve yansıyan mikrodalga frekansında hem de bir maksimal kayma 7 us (end-of-nabız) ​​t ≈ oluşur.

Aşırı ışık etkili yük taşıyıcı bir sonucu olarak oyuk rezonans eğrisi dinamik kayma, Şekil 9'da gösterilmiştir. Bu değişim veya malzemenin dielektrik özelliklerine bağlı olarak, önemli olmayabilir (yani karmaşık iletkenlik hayali bileşeni vardır ya da değilse). kırmızı iz alınan TRMC izleri başlangıçtan itibaren yeniden edilirBirden fazla mikrodalga prob frekanslarında. Bu eser karanlık kavite rezonans karşılık gelir. mavi iz birden frekanslarda alınan sonu nabız TRMC gücünden yeniden yapılmıştır. içerlek çürüme sırasında rezonans güç vs rezonans frekansının gezi göstermektedir.

Polarizasyon dinamikleri doğrudan ve tuzak aracılı rekombinasyon yollar arasında ayırt etmek için kullanılabilir. Şekil 10 iletkenlik gerçek ve sanal bileşenleri katkıları içine TRMC izlemesi bir yıkılışıyla göstermektedir. Kırmızı izleme TRMC veriler, sabit bir frekansta alınan Denklem Koyu yüklü boşluğunun rezonans frekansı. Bu kompleks, iletkenlik tipik TRMC ölçümüdür. iletkenlik (uydurma elde edilen rezonans güç) gerçek kısmının çürümesi yeşil izlemesinde çizilir. polarizasyon (rezonans frequenc çürümesiy) mavi gösterilir. polarizasyon çürüme iletkenlik çürüme göre önemli ölçüde daha küçük çürüme kuyruk sergiler. Bu uzun zamanlarda, yük taşıyıcıları sonra lokalize sıkışıp devletler aracılığıyla çürüme ile tutarlı kutuplaşma, şunlardır iletkenlik fazla katkıda anlamına gelir.

fotoğraf kaynaklı yük taşıyıcılarının İkinci dereceden etkileşimleri yük taşıyıcı dinamiklerinin uyarma yoğunluğu bağımlılığı yoluyla incelenebilir. 10 ila 14 emilen foton / cm2 - Şekil 11a 10 ila 12 arasında, iki büyük kertesine uzanan birçok uyarı yoğunluklarında 530 nm eksitasyon alındığı TRMC izlerini göstermektedir. uzun kuyruk çürümesi tuzak aracılı rekombinasyon atfedilen ise doğrudan rekombinasyon süreçleri atfedilir (100 ns sırasına oluşur) hızlı çürüme: TRMC izleri iki farklı çürüme mekanizmalarının varlığını gösteren, iki ayrı zaman çizelgelerine sergilerler.sinyali genelde lazer gücünü artırarak, hareketlilik artar iken Denklem CH3 NH3 PBI 3 perovskit Şekil 11B 'de gösterildiği gibi, artan uyarım yoğunluğu ile azalmaktadır. yoğunluğu (ve bu nedenle bir taşıyıcı yoğunluğu) bağımlılığı yüksek sıralı bozunma süreçleri varlığını gösteren, alt-doğrusaldır.

Olay foton enerjisi (dalga boyu) üzerindeki yük taşıyıcı çürüme yollarının bağımlılığı Şekil 12'de gösterilmiştir. Absorpsiyon spektrumunda (Şekil 1) belirlendiği gibi, yukarıda arası ve alt bandaralıklı rejimi temsil etmek seçildi nm 530, 750 ve 780 dalga boyları. Bu dalga boylarında dikkate farklı soğurma katsayısı alarak, TRMC izleri 5 x 10 ila 12 foton / cm2'lik bir absorbe foton yoğunluğu ile sonuçlanmıştır lazer güçler alındıHer iz için. Çürüme zaman ölçekleri dalgaboyu bağımsız ise, (uzun çürüme kuyruk sorumlu çürüme yoluna katkıda) erişilebilir tuzak devlet sayısı daha sonra bandaralıklı yakın olanlar için yukarıdaki bant boşluğu devletler için büyük olduğu açıktır.

Şekil 1
Şekil 1: CH 3 NH 3 PBI 3 Emilim spektrumu. absorpsiyon spektrumu spektral ilgi alanı, hem de absorbe lazer gücü kalibrasyonu için belirlemek için, her iki kullanılır. Bu örnek bandaralıklı kuyruk durumları 780 nm kadar uzanan, yaklaşık 750 nm. ilgi dalga boyları içerebilir: bandaralıklı rejimi (l <700 nm), bandaralıklı (λ = 750 nm) ve kuyruk devlet bölgede (nm <λ <780 nm 750) üzerindedir. LütfenBu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

şekil 2
Şekil 2: Genel TRMC deneysel şematik. mikrodalga algılama devresi ile probed edilirken mikrodalga boşluğuna yerleştirilen bir örnek, optik uyarma kurulumu aracılığıyla photoexcited edilir. lazer ölçüm senkronizasyon için bir tetikleyici sağlar. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3: Optik kurulum. Bir ayarlanabilir dalga boylu lazer, mikrodalga boşluğuna yerleştirilen bir örnek içinde, optik olarak excite yük taşıyıcı kullanılır. Bir parabolik ayna, bir fiber optik içine çift boş alan lazer kullanılmaktadır. Nötral yoğunluk filtreleri iyi ayarlanmış lazer kuvvet serileri elde etmek için kullanılır. İki süsen elyaf kaplaması zarar verebilir çapraz kirişler ortadan kaldırmak için kullanılmaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4: Mikrodalga boşluğu. Sağ üst: boşluğun fotoğraf. Sol üst: HFSS boşluğu simülasyon elektrik alanı yaklaşık örnek pozisyonuna düzgün ve maksimum olduğunu göstermektedir. Alt: boşluğun modeli. mikrodalga Kısa devre küçük bir delik boşluğuna optik erişim sağlar. Bir teflon difüzör örnek gelen ışığı sağlamak için kullanılır uzaysal olarak düzgündür. Örnek maksimum elektrik alanı konumunda bir teflon numune tutucu yerleştirilir. Iris boşluğunun ön ucunu tanımlamak için kullanılır. bir ayarVida boşluğun Q faktörünü optimize etmek için kullanılır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 5,
Şekil 5: Mikrodalga algılama şematik. Bir vektör ağ analizörü hem mikrodalga kaynağı ve IQ dedektörü olarak kullanılır. bir uyarım kol ve bir algılama kol: çıkış mikrodalga güç iki yolları ayrılmıştır. Mikrodalga uyarım bir numune ile etkileşen bir boşluğu, bir sirkülatör geçer. Yansıyan mikrodalga güç detektörü girmeden önce bir amplifikatör içine sirkülatör geçer. elde edildi (sinyal ikiye bölünür, ve yarım 90 ° kaydırılmış orijinal mikrodalga sinyali faz ile karıştırılır, orijinal mikrodalga sinyali (faz-içi sinyali I elde edildi) ve diğer yarısı ile karıştırılırSinyal Q dördün bileşeni). Son olarak, sinyal genliği ile hesaplanır Denklem .

Vektör ağ analizörü oyuğuna yükleme değiştirmeden, her iki zaman etki alanı ve frekans etki alanı (bir sabit durum S21 boşluğu yansıma eğrisi elde etmek için) içindeki bir (TRMC bir yerde sabit bir frekansta izleri elde etmek için) kullanılabilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Şekil 6: yüklenen boşluğun rezonans eğrisi. Lineer bir ölçek rezonans eğrisi kavite duyarlılık faktörü hesaplamak için kullanılır. Lorentz fit (mavi) rezonans frekansına ayıklamak için kullanılır, FWHM bant genişliği ve minimum güç R yansıyan Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 7,
Şekil 7: ODE ile Fit. doğrudan ve tuzak aracılı rekombinasyon süreçlerini açıklayan bir Gauss enstrüman tepki fonksiyonu ile kıvrık bir kinetik model ile uyum Normalize TRMC iz. veri düşük genlikli kuyruk çürümesi varlığını vurgulamak için bir log-log arsa üzerinde gösterilir. Lazer darbe t ≈ 7 × 10 -6 s oluşur. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

fit parametre k2 (cm -1) k T (cm 3 s -1) KR (cm-3 s-1) K T (cm3)
değer 6.50 × 10 -10 7.90 × 10 -8 1.10 × 10 -9 1.60 x 10 ila 16

Tablo 1: parametrelerini takılması. TRMC izlemesi Fit parametreleri ph / cm 2 absorbe 6,4 x 10 14 ile 530 nm uyarma alındığı.

Şekil 8,
Şekil 8: Mikrodalga frekans serisi. Ham TRMC izleri koyu boşluğun rezonans eğrisi boyunca 23 frekansları kapsayan, prob mikrodalga frekansının bir fonksiyonu olarak alındı. Sol tarafta 3 temsilci izleri (ham veri) bulunmaktadır. Üzerinde doğru zaman ve frekans P bir fonksiyonu olarak, mikrodalga güç 3B temsilidir (t, F). Bir t = 0, TRMC taban yüklenen boşluğunun rezonans eğrisi yeniden. 7 us (end-of-nabız) ​​t ≈ at, rezonans eğrisi belirgin bir kayma var. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 9,
Şekil 9: fotokimyasal kavite rezonans kayması. TRMC yeniden düzenleme rezonans eğrileri (mavi) aydınlatmadan sonra önce (kırmızı) ve sadece izler. rezonans eğrisi genlik (gerçek iletkenlik değişimi) ve frekans (hayali iletkenlik değişimi) hem de kaydırır. içerlek çürüme sırasında sıklığı vs rezonans gücünün gelişimini izler. jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 10,
Şekil 10: hayali iletkenlik vs gerçek bir bozunma dinamikleri. Kırmızı iz sabit frekans f c alınan TRMC veri, karanlık yüklenen boşluğunun rezonans frekansı. Yeşil iz uydurma elde edilen rezonans frekansında iktidarda değişmesidir. Mavi izleme, zamanın bir fonksiyonu olarak rezonans frekansında değişimdir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 11,
Şekil 11: Şiddet serisi. Sol: Numune hareketlilik yoğunluğu bağımlılığı Les / ftp_upload / 55232 / 55232eq74.jpg "/> 530 ve 780 arasında çeşitli uyarım dalga boyunda alınmıştır nm Sağ:... TRMC geçici lazer gücünün bir fonksiyonu olarak alınan ND filtreleri bilinen bir miktarda lazer gücü azaltmak için kullanılan yoğunluk emilen fotonların / cm 2 sayısına karşılık gelir. lazer darbe t ≈ 7 × 10 -6 s oluşur. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 12,
Şekil 12: Dalga boyu serisi. 5 x 10 ila 12 arasında sabit bir foton yoğunluğu alındığı Normalleştirilmiş TRMC izleri 530, 750 ve 780 nm eksitasyon dalga boyunda foton / cm 2 emilir. Lazer darbe t ≈ 7 × 10 -6 s oluşur./ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55232/55232fig12large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

TRMC tekniği fotokimyasal yük taşıyıcı dinamikleri hakkında bilgi hazinesi sunabilir iken, bu iletkenlik dolaylı bir ölçüsüdür ve bu nedenle sonuçları yorumlanırken alınacak ihtiyaçlar bakım. TRMC tekniği toplam hareketlilik ölçer ve elektron ve delik hareketlilik ayırt etmek kullanılamaz. Bu değişiklik küçük (<% 5) 16 olduğu zaman iletkenliği yansıyan güç değiştirmek orantılı olduğunu altta yatan varsayım tutar. bozunumunda rezonans frekansı kayma büyükse Ayrıca, daha sonra, toplam (kompleks) iletkenlik verileri analiz edilmeden önce, gerçek ve sanal bileşenlerine yapıbozuma gerekecektir. TRMC tekniği elektrik iletkenliği değil, aynı zamanda, dielektrik kaybından dolayı dipol yeniden yönlendirilmesi için sadece katılım olabilir dielektrik sabiti, hayali bölümü değişikliklere duyarlıdır. Bu teknik, ayırt kullanılamazBu iki mekanizma arasında ve biz elektrik iletkenliği kristal malzemeler için iyi bir varsayım hayali dielektrik sabiti, baskın katkı olduğunu burada varsayalım, ama çözeltide numuneler için geçerli olmayabilir.

Mutlak yerine göre ölçümler elde etmek amacıyla, TRMC tekniği kapsamlı kalibrasyon gerektirir. Özellikle, optik kurulum kalibre absorbe fotonları tespit etmek / olay fotonlar doğru hareketlilik elde etmek çok önemlidir. Prensip olarak, sıvı ya da toz haline getirilmiş numuneler üzerinde niceliksel TRMC kullanmak mümkündür; Bununla birlikte, bu örneklerin emme doğru karakterizasyonu zor olabilir.

kavite duyarlılık faktörü kalibrasyonu da zor olabilir eğer dielektrik sabiti Denklem malzemenin bilinmemektedir. Bu durumda, boşluk duyarlılığı reflektör modelleme yoluyla elde edilmelidirYüksek frekanslı elektromanyetik simülatörü 1, 14 kullanarak, ya da test altındaki numune kavite de benzer bir yükleme sahip ince bir (<1 mikron) kalibrasyonu numune kullanılarak boşluğun ection parametreleri. Kavite hassasiyeti ölçülen olamaz, o (yoğunluğu veya dalga boyunun bir fonksiyonu olarak örneğin) Anlamlı göreli ölçümler elde etmek ve dinamik bilgi elde etmek mümkün olmaktadır.

AC mobilite ölçümleri uçuş süresi (TOF) veya foto-CELIV ölçümlerine kadar DC ölçümleri ile elde edilenden daha yüksek büyüklükte birkaç emir olabilir. Örneğin, polimer matrisleri DC hareket TRMC 17 ile elde edilenden daha küçük bir büyüklükte bir hareket emri yol arası zincirli taşıma hakimdir. DC ölçümleri cihaz üzerinden etkili bir hareketlilik verim için AC hareketlilik malzemenin içsel hareketlilik ise bu, etkilenmeznedeniyle büyük sürüş gerilimleri malzeme temas etkileşimleri veya yük taşıyıcılarının termal sürüklenme hızının tedirginlikler. Doğru ve alternatif hareket ölçümleri fotovoltaik veya elektrikle çalışan cihazlar üzerinden yük iletimi araştırmak için art arda kullanılabilir: TRMC ölçümler iç yük taşıyıcı taşıma mekanizmaları aydınlatmak DC ölçümleri, bir cihazın malzemenin baskın taşıma mekanizması tanımlamak için kullanılabilir iken.

TRMC deney için çok yararlı bir uzantısı doğrudan rekombinasyon yoluyla yük taşıyıcıların çürümesini izlemek için bir süre çözüldü fotoluminesans kurulum eklenmesidir. Bu şekilde, PL ölçüm açıkça TRMC çürümesine katkıda diğer çürüme mekanizmalarından doğrudan rekombinasyon yolu ayırt ve önemli ölçüde uydurma prosedürünü hızlandırmak için kullanılabilir.

TRMC tekniği birkaç uzantıları vardır. Örneğin, Alan, TRMC kaynaklı olan TRMC measurements taşıyıcı bir sabit durum enjeksiyon sağlayan bir elektrik alanı bias altında bir cihaz üzerinde yapılır, cihaz 18, ara yüzey tuzak sitesi araştırmak için kullanılabilir.

TRMC tekniğin bazı sınırlamaları birkaç örnek karşılaştırılarak aşılabilir.

Tek bir TRMC ölçüm elektron ve delik hareketlilik ayırt edemez ise Örneğin, bir elektron yerleştirilen bir örneği ile düzgün bir örnek karşılaştırmak veya tabaka 3 kabul delik mümkündür. Ayrıca, TRMC pasifize örnekleri tuzak aracılı çürüme sürecine 6 yüzey tuzakları katkısını belirlemek için vs ancak unpassivated karşılaştırmak mümkündür, yüzeye veya toplu tuzaklar ayırt etmek kullanılamaz. Seçenek olarak ise, artan bir kalınlığa sahip ince filmlerin bir dizi tutucu yoğunluğu üzerinde bir yüzey / hacim oranı bağımlılığı olup olmadığını belirlemek için kullanılabilir.

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