إعادة التركيب حيوية في الأغشية الرقيقة المواد الضوئية عن طريق وحلها الوقت ميكروويف التوصيل
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
تم توضيح طريقة للتحقيق في ديناميات إعادة التركيب من حاملات الشحنة-صور يتسبب في أشباه الموصلات رقيقة، وتحديدا في المواد الضوئية مثل perovskites هاليد العضوي من الرصاص. وتتميز سماكة الفيلم perovskite ومعامل الامتصاص في البداية من قبل profilometry والأشعة فوق البنفسجية-VIS طيف الامتصاص. يوصف معايرة حساسية كل من قوة الليزر وتجويف في التفاصيل. بروتوكول للأداء فلاش التحلل الضوئي الوقت حل ميكروويف التوصيل (TRMC) التجارب، وهي طريقة غير الاتصال لتحديد الموصلية من المواد، ويرد. ويرد عملية لتحديد المكونات الحقيقية والمتخيلة من التوصيل المعقدة عن طريق أداء TRMC بوصفها وظيفة من وتيرة الميكروويف. يتم تحديد ديناميات تهمة الناقل في ظل أنظمة الإثارة مختلفة (بما في ذلك السلطة على حد سواء والطول الموجي). وتقدم التقنيات المتعلقة بالتمييز بين العمليات تسوس المباشرة وبوساطة فخ ومناقشتها.وعلى غرار النتائج وتفسيرها مع الإشارة إلى نموذج الحركي العام لحاملات الشحنة ضوئي؛ في أشباه الموصلات. الأساليب المذكورة تنطبق على مجموعة واسعة من المواد الضوئية، بما في ذلك المواد الضوئية العضوية وغير العضوية، والجسيمات النانوية، وتجري / شبه الموصلة الأغشية الرقيقة.
Introduction
فلاش التحلل الضوئي وقت حل الموصلية الموجات الدقيقة (FP-TRMC) يرصد ديناميات حاملات الشحنة-صور متحمس على الجدول الزمني NS-ميكرو ثانية، مما يجعلها أداة مثالية للتحقيق في عمليات إعادة التركيب تهمة الناقل. فهم آليات اضمحلال حاملات الشحنة-صور يتسبب في أشباه الموصلات رقيقة غير ذات أهمية رئيسية في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك تحسين جهاز الضوئية. في عمر الناقل الناجم غالبا ما تكون وظائف الكثافة التي يسببها الناقل، والطول الموجي الإثارة، والتنقل، والكثافة فخ ومعدل محاصرة. توضح هذه الورقة براعة تقنية وقت حل ميكروويف التوصيل (TRMC) للتحقيق في مجموعة واسعة من تبعيات الناقل الحيوي (كثافة، والطول الموجي والتردد الميكروويف) وتفسيراتها.
يمكن أن رسوم Photogenerated تعديل على حد سواء حقيقية وخيالية أجزاء من ثابت العزل الكهربائي للمادة، وهذا يتوقف على قدرتها على الحركة وdegre (ه) من الحبس / توطين 1. التوصيل من مادة 
يتناسب مع ثابت العزل الكهربائي المعقد
أين 
هو تواتر حقل كهربائي الميكروويف، 
و 
هي أجزاء حقيقية وخيالية من ثابت العزل الكهربائي. وهكذا، يرتبط جزء حقيقي من التوصيل إلى الجزء التخيلي من ثابت العزل الكهربائي، ويمكن أن يتم تعيينها على امتصاص الموجات الدقيقة، في حين يرتبط الجزء التخيلي للحرارة (سيشار إليها فيما بعد الاستقطاب) إلى التحول في تردد صدى من مجال الميكروويف 1.
وهناك ميزة كبيرة من استخدام القوة الميكروويف كما تحقيقا لديناميات الناقل هو أنه، فضلا عن رصد أعمار اضمحلال حاملات الشحنة، وآليات تسوس / مسارات يمكن أيضا أن التحقيق.
ويمكن استخدام TRMC لتحديد إجمالي التنقل 3 و الحياةالساعة 4 من حاملات الشحنة التي يسببها. ويمكن في وقت لاحق هذه المعايير أن تستخدم للتمييز بين آليات إعادة التركيب مباشرة وبوساطة فخ 3 و 5. اعتماد هذه مسارين تسوس منفصلة يمكن تحليلها كميا بوصفها وظيفة من كثافة الناقل 3 و 5 و طاقة الإثارة / الطول الموجي 5. توطين / الحبس ناقلات التي يسببها يمكن التحقيق من خلال مقارنة اضمحلال التوصيل مقابل الاستقطاب 5 (وهمي مقابل جزء حقيقي من ثابت العزل الكهربائي).
بالإضافة إلى ذلك، وربما الأهم من ذلك، TRMC يمكن استخدامها لوصف الدول فخ التي تكون بمثابة مسارات تسوس تهمة الناقل. الفخاخ سطح، على سبيل المثال، يمكن تمييزها عن الفخاخ السائبة بمقارنة مطلية مقابل عينات unpassivated 6. الدول ذات فجوة الحزمة الفرعية يمكنيتم التحقيق مباشرة باستخدام فجوة الحزمة الفرعية طاقات الإثارة 5. كثافة فخ يمكن استنتاجها عن طريق تركيب البيانات TRMC 7.
نظرا لتعدد هذه التقنية، وقد تم تطبيق TRMC لدراسة مجموعة واسعة من المواد بما في ذلك: أشباه الموصلات رقيقة التقليدية مثل السيليكون 6 و 8 و تيو 2 9، 10، النانوية 11، الأنابيب النانوية 1، وأشباه الموصلات العضوية 12، يمزج المادية 13، 14، والضوئية الهجين المواد 3 و 4 و 5.
من أجل الحصول على المعلومات الكمية باستخدام TRMC، فمن الأهمية بمكان أن تكون قادرة على تحديد دقيق لعددمن امتصاص الفوتونات لالإثارة البصرية معين. منذ أساليب لقياس امتصاص الأغشية الرقيقة، النانوية والحلول وعينات مبهمة تختلف، فقد تم تصميم تقنيات إعداد ومعايرة العينة المقدمة هنا على وجه التحديد لعينات رقيقة. ومع ذلك، فإن بروتوكول قياس TRMC قدمت عامة جدا.
Protocol
Representative Results
Discussion
في حين أن تقنية TRMC يمكن أن تقدم ثروة من المعلومات حول ديناميات تهمة الناقل ضوئي؛، وهذا هو القياس غير المباشر للالموصلية، وبالتالي يجب توخي الحذر عند تفسير النتائج. يقيس تقنية TRMC التنقل الكلي، والتي لا يمكن استخدامها للتمييز بين الإلكترون وثقب التنقلات. والافتراض ال?…
Disclosures
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. |
References
- 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).
