时间分辨微波电导(Time Resolved Microwave Conductivity, TRMC)是研究半导体材 料中非平衡载流子复合动力学的一种方法。它通过监测激光照射样品引起反射微波功 率的变化来反映出样品载流子衰减寿命、迁移率、复合速率等微观物理性质。这种技 术具有可操作性强、采集速度块、时间分辨率高等优点,可测量薄膜、粉末样品且不 会损坏样品,已成为表征半导体材料和光电器件基本性能的重要方法。
本文介绍了微波和传输线的基本理论,利用麦克斯韦方程组和边界条件推导了规 则波导和谐振腔的场分布和传输特性,引入了 TRMC 测量半导体载流子复合动力学的 基础理论,介绍了半导体的能带结构、非平衡载流子的产生与复合方式。此外,本文 还介绍了开放式 TRMC、消直流背景式 TRMC、腔微扰式 TRMC 测量系统的设计原理、 以及各部件的使用。开放式 TRMC 的灵敏度较低,难以测得低电导率材料的光电导信号,基于此,本文通过相移器与衰减器将测量系统的底噪背景消除至0,设计了消直流背景式 TRMC,并通过测量多晶MAPbBr3薄膜载流子寿命比较了两种测量系统的差异。
对于腔微扰式 TRMC,介绍了腔微扰现象和原理,推导了腔微扰式 TRMC 测量系统的 灵敏度因子 K 与介电常数实部和虚部的关系,发现在谐振腔正常时介电常数虚部对灵 敏度因子影响最大。本文以石英片为例,利用腔微扰法测量了石英片的介电常数,在 此谐振腔的基础上使用高频结构仿真软件 HFSS(High Frequency Structure Simulation, HFSS)对谐振腔进行电磁仿真,得到了谐振腔的特性参数,针对其反射系数低的问题,本文使用 HFSS 对耦合片的半径和厚度进行参数扫描,得到了最佳耦合效果下的谐振腔模型。
硒化锑(Antimony selenide ,Sb2Se3)是近年来非常热门的光伏材料,具有较低的电 导率,传统的开放式 TRMC 测量系统难以测量其光电导信号。本文使用消直流背景式 TRMC 测量了单晶 Sb2Se3 和多晶 Sb2 Se3 薄膜的光电导衰减动力学,为 Sb2Se3 薄膜制备 和生长工艺提供了参考。此工作分为三部分:(1) 对单晶 Sb2 Se3 和多晶 Sb2 Se3 薄膜进行 结构和形貌表征。(2) 对于单晶 Sb2 Se3 ,分析了不同激发光波长和光生载流子密度对单晶 Sb2 Se3 ,得出单晶 Sb2 Se3 的体寿命 τB 为 2.7 ns ,载流子表面复合速率为 5.12×104cm · s-1 ;对于多晶 Sb2 Se3 薄膜,分析了不同光生载流子密度对它的有效寿命和衰减动力 学的影响,结果表明厚度为 200 nm 左右的多晶 Sb2 Se3 薄膜的光电导衰减对光生载流子 密度敏感,而厚度小于 100 nm 的多晶 Sb2 Se3 薄膜的光电导衰减不随光生载流子密度变 化而变化。(3) 给出了多晶 Sb2 Se3 薄膜的载流子复合模型,分析了不同沉积厚度的 Sb2 Se3 薄膜的样品质量优劣
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