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77mn金虫 (初入文坛)
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TOF方法测量材料的载流子迁移率已有14人参与
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载流子迁移率是衡量半导体材料电荷传输性能的主要指标，很多人都在致力于合成新的高迁移率且具有发光性能或光伏性能的有机材料。敝人做这一领域时间有限，仅有一些了解，下面仅就我比较熟悉的TOF方法测量光生载流子迁移率做如下说明，欢迎各位专家做进一步阐述。 迁移率是衡量半导体导电性能的重要参数，它决定半导体材料的电导率，影响器件的工作速度。已有很多文章对载流子迁移率的重要性进行研究。迁移率 μ 的相关概念在半导体材料中，由某种原因产生的载流子处于无规则的热运动，当外加电压时，导体内部的载流子受到电场力作用，做定向运动形成电流，即漂移电流，定向运动的速度成为漂移速度，方向由载流子类型决定。在电场下，载流子的平均漂移速度v 与电场强度E 成正比为： v=μE 式中 μ 为载流子的漂移迁移率，简称迁移率，表示单位电场下载流子的平均漂移速度，单位是 m2/Vs 或 cm2/Vs。 迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要参数，同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，半导体材料的导电率越高。迁移率的大小不仅关系着导电能力的强弱，而且还直接决定着载流子运动的快慢。它对半导体器件的工作速度有直接的影响。 在恒定电场的作用下，载流子的平均漂移速度只能取一定的数值，这意味着半导体中的载流子并不是不受任何阻力，不断被加速的。事实上，载流子在其热运动的过程中，不断地与晶格、杂质、缺陷等发生碰撞，无规则的改变其运动方向，即发生了散射。无机晶体不是理想晶体，而有机半导体本质上既是非晶态，所以存在着晶格散射、电离杂质散射等，因此载流子迁移率只能有一定的数值 [以上源自网络，仅作普及之用] TOF方法：  工作过程：首先准备好薄膜器件，并施加偏转电压；开启激光器，激光激发材料产生光生载流子；载流子在电场的作用下会定向运动，并由示波器记录漂移电流与时间的关系并最终计算得到载流子迁移率。 设外加偏压为V,空穴穿过薄层经历的时间为t（飞行时间），薄层厚度为d，则迁移率可表达为： μ=d2/Vt 所以迁移率与薄膜厚度、施加偏压、飞行时间相关。 TOF方法在目前测量载流子迁移率中使用的非常广泛，现有测量设备中主要是自建系统，也有一部分是采购整套设备。 我主要针对TOF系统中的实际使用问题做如下说明： 1. 薄膜的厚度 TOF方法只适合单层器件，因为最终测量的是光生载流子从薄膜的一端运动到另一端的时间，所以薄膜的厚度就非常重要。一般来说，十几微米是比较合适的，最低也要1微米。如果太薄，载流子的运动距离就很短，就会造成比较大的测量误差。 几微米或是十几微米对于有些人来说实在太厚了，因为通常人们也就做几十或几百纳米的薄膜，而且对于一些合成材料，如果做热蒸发镀膜的话，消耗的样品太多了，这时候，可以考虑旋涂，虽然对于薄膜的生长来说不如热蒸镀做的好，但是对于迁移率的测试一般来说是没有问题的。 2. 偏压的施加 通常情况下，施加的偏压不超过50V，10V-30V居多。在测试中，要务必保证施加电压的稳定。 3. 迁移率的范围 TOF方法只适合载流子迁移率在10-7～10-1 cm2/V・sec范围，迁移率太高和太低都不适合。 4. 激发波长 选定合适的激发波长非常重要，也就是说激光器的发射波长要匹配材料的最大吸收波长，只有这样才能实现载流子的有效激发。市面上有好多可调波长的激光器都可以使用。而且对于TOF方法来说，对激光器的波宽没有太高要求，但是脉冲时间越短越好。 5. 激光器发射功率 对于TOF方法来说，激光器的发射功率绝非越大越好。因为TOF方法要求载流子从薄膜的一端运动到另一端，也就是要求载流子要在薄膜的表层产生，如果激光器的发射功率太大，激光就会越过薄膜的表层进入深层，进而在薄膜的深层激发出载流子，薄膜深层的载流子也会在施加偏压的作用下运动到另一端，这样就造成了测量的不准确。当然激光器的发射功率也绝非越小越好，因为最终需要得到一条信噪比合适的I-t 曲线。 6. 薄膜的温度控制 自建的系统很多只能在室温下完成测试，对于一些具有温度相变的材料来说并不合适。因此，对于一些有特殊需求的人来说，测量台的温度控制就很重要。 7. 电子迁移率和空穴迁移率 目前所报道的材料的迁移率主要是空穴迁移率且电子迁移率数值要小很多。对于测试过程来说，两者并没有明显的不同，关键还在于材料本身的性质。 8. 数据重复性 在TOF系统中，数据的重复性包含了测量数据的可重复性及光电器件的可重复性。关于这两点无须多言。针对TOF系统来说，要保证数据的可重复性，需要做到：薄膜厚度均一、薄膜固定装置稳定、偏压稳定、光源强度稳定、机械连接等方面。 下图为一张I-t图，仅作示例：  个人观点，抛砖引玉而已！ |
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我也用TOF测过有机小分子材料的迁移率，大多材料表现出色散传输特性，只有少数材料才能测出非色散的信号。对于有些色散信号，对横纵坐标log后时间拐点还是不明显。 我怀疑原因是这样的：测TOF所用激光器的激光强度如果太弱的话，信号强度也弱。激光强度太强的话，激光在有机材料中的透射深度会增加。这样就不能保证电子空穴对只在激光入射一侧的界面处产生，也会在样品材料中部甚至整个样品各处都被激光激发，产生电子空穴对。这种情况下测得的信号色散性将非常严重，很难取出时间拐点，即使取到拐点，测得的载流子渡越时间也比时间情况要小，测得的迁移率偏大。 但绝大多数的文献中似乎也没考虑这些东西，直接就测试了，难道是我想多了？欢迎大家批评指正！ |
7楼2014-10-25 16:40:26
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