A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.
具体的には、有機鉛ハライドペロブスカイトなどの光起電材料中の薄膜半導体の光誘起電荷キャリアの再結合動態を調査するための方法が提供されます。ペロブスカイト膜厚と吸収係数は、最初プロフィロメトリーおよびUV-VIS吸収スペクトルにより特徴づけられます。レーザパワーとキャビティ両方感度の校正について詳細に説明します。フラッシュ光分解時間分解マイクロ波伝導(TRMC)実験を行うためのプロトコルは、材料の導電率を決定するための非接触方法が、提供されます。マイクロ波周波数の関数としてTRMCを行うことにより、複雑な導電性の実数成分と虚数成分を同定するための方法が与えられます。電荷キャリアダイナミクス(パワーと波長の両方を含む)異なる励起レジームの下で決定されます。直接およびトラップ媒介崩壊過程とを区別するための技術が提示し、議論されています。結果は、半導体における光誘起電荷キャリアの一般的な動力学モデルを用いてモデル化し、解釈されます。記載された技術は、有機および無機光起電材料は、ナノ粒子を含む光電子材料の広い範囲に適用可能であり、薄膜半導体/伝導します。
フラッシュ光分解時間分解マイクロ波伝導度(FP-TRMC)は電荷キャリアの再結合過程を調査するための理想的なツール作り、NS-μsの時間スケールで、光励起電荷キャリアのダイナミクスを監視します。薄膜半導体に光誘起電荷キャリアの崩壊メカニズムを理解することは、光起電力素子の最適化などのアプリケーションの範囲内で極めて重要です。誘導されたキャリアの寿命は、多くの場合、誘導されたキャリア密度、励起波長、モビリティ、トラップ密度とトラップ率の関数です。本稿では、キャリアの動的依存性(強度、波長、マイクロ波周波数)とその解釈の広い範囲を調査するための時間分解マイクロ波伝導度(TRMC)技術の汎用性を示しています。
光電荷は、その機動性とdegreに応じて、材料の誘電率の実部と虚部の両方に変更することができます閉じ込め/ローカライゼーション1の電子。材料の導電率その複素誘電率に比例し、
どこマイクロ波電界の周波数は、
そして
誘電率の実部と虚部です。したがって、導電率の実部は、誘電率の虚部に関連して、導電率の虚数部が(その後の偏光と呼ばれる)の共振周波数のシフトに関係している間に、マイクロ波吸収にマッピングすることができますマイクロ波場1の。
キャリアダイナミクスのためのプローブとして、マイクロ波電力を使用することの重要な利点は、減衰機構/経路も調査することができる、ということだけでなく、電荷キャリアの減衰寿命を監視しています。
TRMC総モビリティ3及び寿命を決定するために使用することができます誘導電荷キャリアの時間4。これらのパラメータは、その後直接トラップ媒介組換え機構3,5を区別するために使用することができます。これら二つの別々の減衰経路の依存性を定量的にキャリア密度3,5及び励起エネルギー/波長5の関数として分析することができます。誘導されたキャリアの局在/閉じ込めは分極5(誘電率の実部対虚)対伝導率の減衰を比較することによって調べることができます。
さらに、おそらく最も重要なのは、TRMCは電荷キャリア崩壊経路として作用トラップ状態を特徴付けるために使用することができます。表面トラップは、例えば、非不動態化サンプル6対不動態比較することにより、バルクのトラップと区別することができます。サブバンドギャップの状態ことができます直接サブバンドギャップ励起エネルギー5を用いて調べてもよいです。トラップ密度をTRMCデータ7を当てはめることによって推定することができます。
このようなケイ素6,8及びTiO 2の9、10のような従来の薄膜半導体、11ナノ粒子、ナノチューブ1、有機半導体12、素材ブレンド:この技術の汎用性、TRMCを含む広範囲の材料を研究するために適用されている原因13、14、及びハイブリッド光起電材料3、4、5。
TRMCを用いて定量的情報を得るためには、正確な数を決定できることが重要です所与の光学的励起のための光子を吸収しました。薄膜の吸収を定量するための方法ので、ナノ粒子、溶液および不透明なサンプルが異なるため、ここに提示試料調製および較正技術は、特に、薄膜試料のために設計されています。しかし、提示されTRMC測定プロトコルは非常に一般的です。
TRMC技術は、光誘起電荷キャリアダイナミクスに関する豊富な情報を提供することができますが、これは導電性の間接的な測定であるため、結果を解釈する際に注意する必要があるが気になります。 TRMC技術は、全移動度を測定し、電子と正孔移動度を区別するために使用することができません。導電率は、反射電力の変化に比例することが基本となる仮定は、変化が小さい(<…
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgment is made to the Australian Research Council (LE130100146, DP160103008). JAG is supported via an Australian Postgraduate Award, and DRM by an ARC Future Fellowship (FT130100214). We thank Nikos Kopidakis for helpful discussions.
Hellmanex III detergent | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en®ion=AU |
Z805939 | Corrosive and toxic. See SDS. |
Lead (II) iodide (99%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en®ion=AU |
211168 | Toxic. See SDS |
Anhydrous dimethylformamide (99.8%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en®ion=AU |
227056 | Toxic. See SDS |
Anhydrous dimethylsulfoxide (99.9%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en®ion=AU |
276855 | Toxic. See SDS |
Anhydrous 2-Propanol (99.5%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en®ion=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®ion=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. |