Dynamics רקומבינציה ב חומרים פוטו סרט דק באמצעות מוליכות מיקרוגל זמן נפתרה
Summary
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.
Abstract
שיטה לחקירת דינמיקה רקומבינציה של נושאי מטען נגרם צילום במוליכים למחצה סרט דקים, במיוחד חומרים פוטו כגון perovskites הליד אורגן-עופרת מוצגת. עובי הסרט perovskite מקדם הקליטה בתחילה מאופיינים profilometry וספקטרוסקופיה הקליטה-VIS UV. כיול רגישות כוח ואת חלל הליזר הוא מתואר בפירוט. פרוטוקול לביצוע מוליכות מיקרוגל זמן נפתרה-photolysis פלאש (TRMC) ניסויים, שיטה ללא מגע קביעת המוליכות של חומר, מוצג. תהליך לזיהוי רכיבים אמיתיים ומדומים של מוליכות מורכבים על ידי ביצוע TRMC כפונקציה של תדר מיקרוגל הוא נתון. דינמיקת נושאי מטען נקבעת תחת משטרי עירור שונים (כולל הן כוח גל). טכניקות להבחנה בין תהליכי ריקבון ישירים בתיווך מלכודת מוצגות ודן.תוצאות הם מודל ופרשו תוך התייחסות למודל הקינטית כללי של נושאי מטען ומושרים במוליכים-למחצה. הטכניקות המתוארות החלות על מגוון רחב של חומרים אופטו, כוללים חומרים פוטו אורגניים ואי-אורגניים, חלקיקים, וניצוח / מוליכים למחצה סרטים דקים.
Introduction
מוליכות מיקרוגל פלאש-photolysis זמן נפתרה (FP-TRMC) מפקחת הדינמיקה של נושאי מטען צילום נרגש בסולם הזמנים NS-מיקרו-שניות, מה שהופך אותו לכלי אידיאלי עבור חוקרת תהליכים רקומבינציה נושאי מטען. הבנת מנגנוני הדעיכה של נושאי מטען נגרם צילום במוליכים למחצה סרט דקים היא בעל חשיבות עליונה במגוון של יישומים, כוללים אופטימיזציה מכשיר פוטו. עוד בימי חייהם המובילים המושרים הם בדרך כלל פונקציות של צפיפות ספק מושרה, גל עירור, ניידות, צפיפות מלכודת וקצב השמנה. מסמך זה מדגים את הרבגוניות של מוליכות מיקרוגל זמן לפתור הטכניקה (TRMC) על חקירת מגוון רחב של תלות דינמית מובילה (עצמה, אורך גל, תדירות מיקרוגל) והבהרות להם.
חיובי Photogenerated יכולים לשנות הן האמיתי ואת החלקים הדמיוניים של הקבוע הדיאלקטרי של חומר, תלוי ניידות degre שלהם דואר כליאה / לוקליזציה 1. המוליכות של חומר 
הוא יחסי קבוע דיאלקטרי המורכב שלה
איפה 
התדירות היא של שדה חשמלי ומיקרוגל, 
ו 
הם החלקים הממשי והמדומה של הקבוע הדיאלקטרי. לכן, החלק האמיתי של המוליכות קשור חלק המדומה של קבוע דיאלקטרי, והוא יכול להיות ממופה על קליטת מיקרוגל, ואילו החלק המדומה של המוליכות (שייקרא להלן קיטוב) קשור שינוי תדר התהודה של שדה המיקרוגל 1.
יתרון משמעותי של שימוש בכוח המיקרוגל כמו בדיקה עבור דינמיקה מובילה הוא כי, כמו גם פיקוח על גלגולי חי הריקבון של נושאי מטען, מנגנוני ריקבון / מסלולים יכולים להיחקר גם.
TRMC ניתן להשתמש כדי לקבוע את החיים ניידים 3 והמוחלטיםזמן 4 של נושאי מטען מושרים. פרמטרים אלה יכולים לשמש מאוחר יותר להבחין בין מנגנוני רקומבינציה הישירים בתיווך מלכוד 3, 5. התלות של שני אלה מסלולי ריקבון נפרדים ניתן לנתח באופן כמוני כפונקציה של צפיפות ספק 3, 5 ו עירור אנרגיה / גל 5. הלוקליזציה / הכליאה של ספקים מושרים יכולה להיחקר על ידי השוואת הדעיכה של מוליכות vs polarizability 5 (דמיונית לעומת חלק אמיתי של קבוע דיאלקטרי).
בנוסף, ואולי הכי חשוב, TRMC יכול לשמש כדי לאפיין מדינות מלכודות אשר פועלות מסלולי ריקבון נושאי מטען. מלכודות Surface, למשל, ניתן להבחין בין מלכודות בתפזורת על ידי השוואת פסיבציה vs דגימות unpassivated 6. יכול מדינות תת-bandgapלהיחקר ישירות באמצעות אנרגיות עירור תת-bandgap 5. צפיפויות מלכודת ניתן להסיק על ידי התאמת נתוני TRMC 7.
בשל צדדיות של הטכניקה הזו, TRMC יושם ללמוד מגוון רחב של חומרים כולל: מוליכים למחצה סרט דק מסורתיים כגון סיליקון 6, 8 ו Tio 2 9, 10, חלקיקים 11, צינורות 1, 12 מוליכים למחצה אורגניים, תערובות חומר 13, 14, ו פוטו ההיברידית חומרים 3, 4, 5.
על מנת לקבל מידע כמותי באמצעות TRMC, חשוב להיות מסוגל לקבוע את מספר מדויקשנקלט פוטונים עבור עירור אופטי נתון. מאז שיטות לכימות קליטה של שכבות דקות, חלקיקים, פתרונות ודוגמאות אטומות שונות, טכניקות ההכנה וכיול המדגם המוצגות כאן נועדו במיוחד עבור דגימות סרט דקות. עם זאת, פרוטוקול המדידה TRMC המוצג הינו כללי מאוד.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעוד טכניקת TRMC יכול להציע שפע של מידע על הדינמיקה ומושרי נושאי מטען, זה מהווה מדד עקיף של מוליכות, ולכן אכפת, צריך לקחת אותו כאשר פירוש התוצאות. טכניקת TRMC מודדת ניידות מוחלטת, ולא ניתן להשתמש בו כדי להבחין בין mobilities אלקטרוני החור. הנחת היסוד כי מוליכות היא מידתית לשנות …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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. |
Referências
- 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).
- 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).
- 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).
- Ponseca, C. S., 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
