電荷変調分光法

電荷変調分光法は、電気光学分光法の一種です。[1]有機電界効果トランジスタの電荷キャリア挙動を研究するために使用されます。[2] [3]伝導チャネルが形成される半導体と誘電体層[4]の界面における蓄積電荷を直接プローブすることにより、導入された電荷による光透過率の変化を測定します。

電荷変調分光法のブロック図。ここではフォトダイオードが透過率を測定します。有機電界効果トランジスタには直流信号と交流信号が印加され、交流信号はロックインアンプの基準周波数となります。

原則

吸光度を測定する紫外可視分光法とは異なり、電荷変調分光法は電荷によってもたらされる光透過率の変化を測定します。言い換えれば、電荷によってもたらされる光透過率の新しい特性を明らかにします。この構成は、主にランプ、モノクロメータ、光検出器、ロックインアンプの4つのコンポーネントで構成されます。ランプとモノクロメータは波長の生成と選択に使用されます。選択された波長はトランジスタを通過し、透過光はフォトダイオードによって記録されます。信号対雑音比が非常に低い場合、ロックインアンプを使用して信号を変調および回復することができます。

実験では、有機電界効果トランジスタに直流電流と交流バイアスを印加する。誘電体と半導体の界面に電荷キャリアが蓄積する（通常は数ナノメートル[5]）。蓄積電荷の出現に伴い、透過光の強度が変化する。光強度の変化（§ ブリーチングおよび電荷吸収信号）は、光検出器とロックインアンプを介して収集される。電荷変調周波数は、ロックインアンプの基準として使用される。

有機電界効果トランジスタの電荷を変調する

有機電界効果トランジスタ: 赤い層は、誘電体と有機半導体の界面に位置する蓄積電荷を表します。

有機電界効果トランジスタの典型的なアーキテクチャは4つあります: [6]トップゲート、ボトムコンタクト、ボトムゲート、トップコンタクト、ボトムゲート、ボトムコンタクト、トップゲート、トップコンタクト。

蓄積電荷層を形成するために、有機電界効果トランジスタのゲートに正負の直流電圧（P型トランジスタの場合は正、N型トランジスタの場合は負）を印加する。[7]電荷を変調するために、ゲートとソース間に交流電圧を印加する。変調に追従できるのは移動電荷のみであり、ロックインアンプに与えられる変調周波数は同期している必要があることに注意する必要がある。

電荷変調スペクトル

電荷変調分光信号は、微分透過率を総透過率で割ったものとして定義できます。移動キャリアを変調することで、透過率の増加と透過率の減少の両方の特徴を観察できます。[8]前者はブリーチングに関連し、後者は電荷吸収と電気誘起吸収（電界吸収）に関連しています。電荷変調分光スペクトルは、電荷誘起吸収と電界吸収の特徴が重なり合ったものです。トランジスタでは、高電圧降下時に電界吸収がより顕著になります。[9]電界吸収の寄与を特定するには、第2高調波を取得する方法 や、空乏領域でプローブする方法など、いくつかの方法があります。 △ T {\displaystyle \bigtriangleup T} T {\displaystyle T} △ T / T > 0 {\displaystyle \bigtriangleup T/T>0} △ T / T < 0 {\displaystyle \bigtriangleup T/T<0} △ T / T {\displaystyle \bigtriangleup T/T}

漂白と電荷吸収

蓄積された電荷キャリアが中性ポリマーの基底状態を除去すると、基底状態の透過率が増加します。これはブリーチングと呼ばれます。ポリマーに過剰な正孔または電子が存在すると、低エネルギー準位で新たな遷移が発生し、透過率が低下します。これは電荷吸収に関連しています。[1] △ T > 0 {\displaystyle \bigtriangleup T>0} △ T < 0 {\displaystyle \bigtriangleup T<0}

電気吸収

電界吸収は中性ポリマーにおけるシュタルク効果の一種であり[10]、大きな電圧降下が生じる電極端で顕著となる。電界吸収は第二高調波電荷変調分光スペクトルから観測できる[9] 。

電荷変調顕微鏡

電荷変調顕微鏡法は、共焦点顕微鏡法と電荷変調分光法を組み合わせた新しい技術です。 [11]トランジスタ全体に焦点を当てる電荷変調分光法とは異なり、電荷変調顕微鏡法は局所的なスペクトルとマップを提供します。この技術により、チャネルスペクトルと電極スペクトルを個別に取得できます。顕著な電界吸収特性を示さずに、より局所的な次元（サブミクロン程度）の電荷変調スペクトルを観察できます。もちろん、これは光学顕微鏡の解像度に依存します。

電荷変調顕微鏡の高解像度により、有機電界効果トランジスタのアクティブチャネルにおける電荷キャリア分布のマッピングが可能になる。[9]言い換えれば、機能的なキャリア形態を観察できる。局所的なキャリア密度はポリマーの微細構造と関連していることはよく知られている。密度汎関数理論計算に基づくと、分極電荷変調顕微鏡は遷移双極子モーメントの相対方向に関連する電荷輸送を選択的にマッピングすることができる。[12]局所的な方向はポリマードメインの配向秩序と相関している可能性がある。[13]より秩序化されたドメインは、有機電界効果トランジスタデバイスの高いキャリア移動度を示す。

参照

参考文献

  1. ^ ab カイローニ、マリオ;バード、マット。ファッツィ、ダニエレ。チェン、ジーファ。ディ・ピエトロ、リッカルド。ニューマン、クリストファー。ファッケッティ、アントニオ。ヘニング、シリングハウス（2011年9月9日）。 「nチャネルポリマー半導体における高移動度の起源としての非常に低い程度のエネルギー障害」。先端機能材料。21 (17): 3371–3381。土井:10.1002/adfm.201100592。S2CID  95644182。
  2. ^ シリングハウス、H.ブラウン、ピラニア州。友人、RH。ニールセン、MM;ベックガード、K.ランゲフェルト・フォス、BMW。スピアーリング、AJH。ヤンセン、RAJ。マイヤー、EW;ヘルウィッグ、P.デ・レーウ、DM (1999 年 10 月)。 「自己組織化された高移動度共役ポリマーにおける二次元電荷輸送」。自然。401 (6754): 685–688。書誌コード:1999Natur.401..685S。土井：10.1038/44359。S2CID  4387286。
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  5. ^ Bässler, H. (1993年1月1日). 「無秩序な有機光伝導体における電荷輸送：モンテカルロシミュレーション研究」. Physica Status Solidi B. 175 ( 1): 15– 56. Bibcode :1993PSSBR.175...15B. doi :10.1002/pssb.2221750102.
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  11. ^ Sciascia, Calogero; Martino, Nicola; Schuettfort, Torben; Watts, Benjamin; Grancini, Giulia; Antognazza, Maria Rosa; Zavelani-Rossi, Margherita; McNeill, Christopher R.; Caironi, Mario (2011年11月16日). 「高移動度ポリマーnチャネル電界効果トランジスタのサブマイクロメートル電荷変調顕微鏡法」. Advanced Materials . 23 (43): 5086– 5090. Bibcode :2011AdM....23.5086S. doi :10.1002/adma.201102410. PMID:  21989683. S2CID  : 205241797.
  12. ^ Fazzi, Daniele; Caironi, Mario (2015). 「ポリマー分子構造と電荷輸送のマルチ長さスケール関係：ポリナフタレンジイミドビチオフェンの事例」. Physical Chemistry Chemical Physics . 17 (14): 8573– 8590. Bibcode :2015PCCP...17.8573F. doi :10.1039/c5cp00523j. PMID  25740386.
  13. ^ マルティーノ、ニコラ;ファッツィ、ダニエレ。シャシア、カロジェロ。ルツィオ、アレッサンドロ。アントニャッツァ、マリア・ローザ。カイローニ、マリオ (2014 年 5 月 13 日)。 「半導体ポリマーにおける電荷プローブドメインの配向順序のマッピング」。ACSナノ。8 (6): 5968–5978。土井:10.1021/nn5011182。hdl : 11858/00-001M-0000-0024-A80B-8。PMID  24815931。


さらに読む

  • Ziffer, Mark E.; Mohammed, Joseph C.; Ginger, David S. (2016年5月20日). 「ペロブスカイトCH3 NH3PbI3における励起子結合エネルギー、電子–正孔縮退有効質量、およびバンドギャップの電界吸収分光測定」ACS Photonics . 3 (6): 1060– 1068. doi : 10.1021/acsphotonics.6b00139 .
  • 内田 亮; 矢田 秀; 牧野 正; 松井 雄二; 三輪 健; 上村 剛; 竹谷 淳; 岡本 秀 (2013年3月4日). 「ルブレン単結晶電界効果トランジスタの電荷変調赤外分光法」.応用物理学論文集. 102 (9): 093301.書誌コード:2013ApPhL.102i3301U. doi :10.1063/1.4794055.
  • Liu, Chuan; Huang, Kairong; Park, Won-Tae; Li, Minmin; Yang, Tengzhou; Liu, Xuying; Liang, Lijuan; Minari, Takeo; Noh, Yong-Young (2017). 「有機半導体における電荷輸送の統一的理解：キャリアの減衰非局在化の重要性」. Materials Horizo​​ns . 4 (4): 608– 618. doi : 10.1039/C7MH00091J .
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