Спектроскопия модуляции заряда - Charge modulation spectroscopy

Спектроскопия модуляции заряда представляет собой инструмент для электрооптической спектроскопии.^[1] Он используется для изучения поведения носителей заряда в Органический полевой транзистор. Он измеряет внесенный заряд вариации оптической передачи^[2][3] путем непосредственного измерения заряда накопления на границе раздела полупроводника и диэлектрика.^[4] где формируется канал проводимости.

Блок-схема установки спектроскопии с модуляцией заряда. Здесь фотодиод измеряет передачу. Постоянный ток плюс переменный ток подается сигналом органического полевого транзистора, переменный ток будет в качестве опорной частоты для блокировки в усилителе.

Принципы

В отличие от ультрафиолетовая видимая спектроскопия который измеряет абсорбцию, спектроскопия с модуляцией заряда измеряет внесенный заряд вариации оптической передачи. Другими словами, он раскрывает новые возможности оптической передачи, вносимые зарядами. В этой установке в основном четыре компонента: лампа, монохроматор, фотоприемник и синхронный усилитель. Лампа и монохроматор используются для генерации и выбора длины волны. Выбранная длина волны проходит через транзистор, а прошедший свет регистрируется фотодиодом. Когда отношение сигнал / шум очень низкое, сигнал можно модулировать и восстанавливать с помощью синхронизирующего усилителя.

В эксперименте на органический полевой транзистор подается постоянный ток плюс переменный ток смещения. Зарядные носители накапливаются на границе раздела между диэлектриком и полупроводником (обычно несколько нанометров^[5]). С появлением накопительного заряда изменяется интенсивность проходящего света. Изменение силы света (§ Сигнал обесцвечивания и поглощения заряда ) затем собирается через фотодетектор и синхронный усилитель. Частота модуляции заряда дается синхронизирующему усилителю в качестве эталона.

Модуляция заряда на органическом полевом транзисторе

Органический полевой транзистор: красный слой представляет собой накопительный заряд, расположенный на границе диэлектрика и органического полупроводника.

Существует четыре типичных архитектуры органических полевых транзисторов:^[6] Верхний затвор, нижний контакты; нижний вентиль, верхние контакты; нижний затвор, нижние контакты; верхний шлюз, верхний контакт.

Чтобы создать слой накопления заряда, на затвор органического полевого транзистора подается положительное / отрицательное напряжение постоянного тока (положительное для транзистора P-типа, отрицательное для транзистора N-типа).^[7] Чтобы модулировать заряд, между затвором и истоком подается переменное напряжение. Важно отметить, что за модуляцией может следовать только заряд мобильного устройства, и что частота модуляции, подаваемая на синхронный усилитель, должна быть синхронной.

Спектры модуляции заряда

Сигнал спектроскопии с модуляцией заряда можно определить как дифференциальную передачу ${\displaystyle \bigtriangleup T}$делится на общую передачу ${\displaystyle T}$. Модулируя мобильные операторы, увеличивайте передачу ${\displaystyle \bigtriangleup T/T>0}$ и уменьшить передачу ${\displaystyle \bigtriangleup T/T<0}$ можно было наблюдать обе функции.^[8] Первый относится к обесцвечиванию, а второй - к поглощению заряда и электрически индуцированному поглощению (электропоглощение). Спектры спектроскопии модуляции заряда представляют собой перекрытие функций, индуцированных зарядом, и особенностей электроабсорбции. В транзисторах электропоглощение более существенно во время высокого падения напряжения.^[9] Есть несколько способов определить вклад электропоглощения, например, получить вторую гармонику ${\displaystyle \bigtriangleup T/T}$, или зондировать его в области истощения.

Отбеливание и поглощение заряда

Когда накопительный носитель заряда удаляет основное состояние нейтрального полимера, в основном состоянии происходит большая передача. Это называется отбеливанием ${\displaystyle \bigtriangleup T>0}$. Из-за избытка дырки или электронов в полимере будут новые переходы на низких уровнях энергии, поэтому интенсивность передачи снижается. ${\displaystyle \bigtriangleup T<0}$, это связано с поглощением заряда.^[1]

Электроабсорбция

Электропоглощение - это тип Эффект Старка в нейтральном полимере,^[10] он преобладает на краю электрода из-за сильного падения напряжения. Электропоглощение можно наблюдать по спектрам модуляции заряда второй гармоники.^[9]

Микроскопия модуляции заряда

Микроскопия с модуляцией заряда - это новая технология, сочетающая в себе конфокальная микроскопия со спектроскопией модуляции заряда.^[11] В отличие от спектроскопии с модуляцией заряда, которая фокусируется на всем транзисторе, микроскопия с модуляцией заряда дает нам локальные спектры и карту. Благодаря этой технологии можно получить индивидуальные спектры каналов и электродов. Более локальный размер спектров модуляции заряда (около субмикронного) может наблюдаться без существенной особенности электроабсорбции. Конечно, это зависит от разрешения оптической микроскопии.

Высокое разрешение микроскопии с модуляцией заряда позволяет отображать распределение носителей заряда в активном канале органического полевого транзистора.^[9] Другими словами, можно наблюдать функциональную морфологию носителя. Хорошо известно, что локальная плотность носителей может быть связана с микроструктурой полимера. На основе Теория функций плотности Согласно расчетам, микроскопия с поляризованной модуляцией заряда может выборочно отображать перенос заряда, связанный с относительным направлением дипольного момента перехода.^[12] Локальное направление может быть коррелировано с ориентационным порядком полимерных доменов.^[13] Более упорядоченные домены демонстрируют высокую подвижность носителей в устройстве на органических полевых транзисторах.

Смотрите также

• Ультрафиолетовая видимая спектроскопия
• Органический полевой транзистор
• Эффект Старка
• Конфокальная микроскопия

Рекомендации

1. Кайрони, Марио; Птица, Мэтт; Фацци, Даниэле; Чен, Чжихуа; Ди Пьетро, ​​Риккардо; Ньюман, Кристофер; Факкетти, Антонио; Sirringhaus, Хеннинг (9 сентября 2011 г.). «Очень низкая степень энергетического расстройства как источник высокой подвижности в n-канальном полимерном полупроводнике». Современные функциональные материалы. 21 (17): 3371–3381. Дои:10.1002 / adfm.201100592.
2. Sirringhaus, H .; Браун, П. Дж .; Friend, R.H .; Nielsen, M. M .; Bechgaard, K .; Langeveld-Voss, B.MW .; Spiering, A. J. H .; Janssen, R.A.J .; Meijer, E.W .; Herwig, P .; де Леу, Д. М. (октябрь 1999 г.). «Двумерный перенос заряда в самоорганизованных высокоподвижных сопряженных полимерах». Природа. 401 (6754): 685–688. Дои:10.1038/44359. S2CID  4387286.
3. Браун, Питер Дж .; Сиррингхаус, Хеннинг; Харрисон, Марк; Шкунов, Максим; Друг, Ричард Х. (12 марта 2001 г.). «Оптическая спектроскопия индуцированного полем заряда в самоорганизованном поли (3-гексилтиофене) с высокой подвижностью». Физический обзор B. 63 (12). Дои:10.1103 / Physrevb.63.125204.
4. Большая площадь и гибкая электроника. Wiley-VCH. 2015-05-04. ISBN  9783527336395.
5. Бесслер, Х. (1 января 1993 г.). "Транспорт заряда в неупорядоченных органических фотопроводниках исследование моделирования методом Монте-Карло". Физика Статус Solidi B. 175 (1): 15–56. Дои:10.1002 / pssb.2221750102.
6. Marder, Seth R .; Бредас, Жан-Люк (2016-01-29). Справочник WSPC по органической электронике: органические полупроводники (в 2-х томах). ISBN  9789814699228.
7. Интеграция органических тонкопленочных транзисторов: гибридный подход. Wiley-VCH. 2011-03-21. ISBN  978-3527634453.
8. Zhao, N .; Noh, Y.-Y .; Chang, J.-F .; Heeney, M .; McCulloch, I .; Сиррингхаус, Х. (5 октября 2009 г.). «Локализация поляронов на границах раздела в высокомобильных микрокристаллических сопряженных полимерах». Современные материалы. 21 (37): 3759–3763. Дои:10.1002 / adma.200900326.
9. Чин, Синь Юй; Пейс, Джузеппина; Соци, Чезаре; Кайрони, Марио (2017). «Амбиполярное распределение заряда в донорно-акцепторных полимерных полевых транзисторах». Журнал химии материалов C. 5 (3): 754–762. Дои:10.1039 / c6tc05033f.
10. Chemla, D. S .; Damen, T. C .; Миллер, Д. А. Б .; Gossard, A.C .; Вигманн, В. (15 мая 1983 г.). «Электропоглощение за счет эффекта Штарка на экситонах при комнатной температуре в структурах с множественными квантовыми ямами GaAs / GaAlAs». Письма по прикладной физике. 42 (10): 864–866. Дои:10.1063/1.93794.
11. Sciascia, Calogero; Мартино, Никола; Шюттфорт, Торбен; Уоттс, Бенджамин; Гранчини, Джулия; Антоньяцца, Мария Роза; Завелани-Росси, Маргарита; McNeill, Christopher R .; Кайрони, Марио (16 ноября 2011 г.). "Субмикрометрическая микроскопия модуляции заряда высокоподвижного полимерного n-канального полевого транзистора". Современные материалы. 23 (43): 5086–5090. Дои:10.1002 / adma.201102410. PMID  21989683.
12. Фацци, Даниэле; Кайрони, Марио (2015). «Многоуровневые отношения между молекулярной структурой полимера и переносом заряда: случай полинафталиндиимида битиофена». Физическая химия Химическая физика. 17 (14): 8573–8590. Дои:10.1039 / c5cp00523j. PMID  25740386.
13. Мартино, Никола; Фацци, Даниэле; Sciascia, Calogero; Луцио, Алессандро; Антоньяцца, Мария Роза; Кайрони, Марио (13 мая 2014 г.). «Отображение ориентационного порядка зондового заряда в полупроводниковом полимере». САУ Нано. 8 (6): 5968–5978. Дои:10.1021 / nn5011182. HDL:11858 / 00-001M-0000-0024-A80B-8. PMID  24815931.

дальнейшее чтение

• Зиффер, Марк Э .; Мохаммед, Джозеф С .; Джинджер, Дэвид С. (20 мая 2016 г.). "Электропоглощающая спектроскопия. Измерения энергии связи экситонов, приведенной эффективной массы электронов и дырок и ширины запрещенной зоны в перовскитовой КД.₃ NH₃PbI₃". ACS Photonics. 3 (6): 1060–1068. Дои:10.1021 / acsphotonics.6b00139.
• Uchida, R .; Yada, H .; Макино, М .; Matsui, Y .; Miwa, K .; Uemura, T .; Takeya, J .; Окамото, Х. (4 марта 2013 г.). «Инфракрасная спектроскопия с модуляцией заряда монокристаллических полевых транзисторов рубрена». Письма по прикладной физике. 102 (9): 093301. Дои:10.1063/1.4794055.
• Лю, Чуань; Хуанг, Кайронг; Пак, Вон-Тэ; Ли, Минмин; Ян, Тэнчжоу; Лю, Сюин; Лян, Лицзюань; Минари, Такео; Но, Ён-Ён (2017). «Единое понимание переноса заряда в органических полупроводниках: важность ослабленной делокализации для носителей». Материалы Horizons. 4 (4): 608–618. Дои:10.1039 / C7MH00091J.