電荷変調分光法

電荷変調分光法は、電気光学分光法の技術ツールです。^{[1]これは、}有機電界効果トランジスタの電荷キャリアの挙動を研究するために使用されます。伝導チャネルが形成される半導体と誘電体層^[4]の燃焼界面で蓄積された電荷を直接プローブすることにより、電荷によって導入された光透過率の変化^{[2] [3]}を測定します。

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徴を明らかにします。このセットアップには、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があります。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、信号を変調してロックインアンプで回復できます。

実験では、有機電界効果トランジスタに直流と交流バイアスを印加します。電荷キャリアは誘電体と半導体の界面に蓄積します（通常は数ナノメートル^[5]）。蓄積電荷の出現により、透過光の強度が変化します。光強度の変化（§ ブリーチングと電荷吸収信号）は、光検出器とロックインアンプを通じて収集されます。電荷変調周波数は、ロックインアンプに基準として与えられます。

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。

蓄積電荷層を作成するために、有機電界効果トランジスタのゲートに正/負の直流電圧が印加されます（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）。^[7]電荷を変調するために、ゲートとソースの間にAC電圧が与えられます。移動電荷のみが変調に追従でき、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ことが重要です。

電荷変調分光信号は、微分透過率を全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により、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的に誘起される吸収（電気吸収）に関連します。電荷変調分光スペクトルは、電荷誘起と電気吸収の特徴が重なり合っています。トランジスタでは、高電圧降下時に電気吸収がより顕著になります。^[9]電気吸収の寄与を識別するには、第 2 高調波を取得するか 、空乏領域でプローブするなど、いくつかの方法があります。 ${\displaystyle \bigtriangleup T}$${\displaystyle T}$${\displaystyle \bigtriangleup T/T>0}$${\displaystyle \bigtriangleup T/T<0}$${\displaystyle \bigtriangleup T/T}$

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、基底状態での透過率が増加します。これをブリーチングと呼びます。ポリマーに過剰な正孔または電子があると、低エネルギーレベルでの新しい遷移が発生するため、透過率の強度が低下します。これは電荷吸収に関連しています。^[1]${\displaystyle \bigtriangleup T>0}$${\displaystyle \bigtriangleup T<0}$

電気吸収は中性ポリマーにおけるスターク効果の一種であり、 ^[10]大きな電圧降下があるため電極端で顕著になります。電気吸収は第二高調波電荷変調分光スペクトルから観察できます。^[9]

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た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。電荷変調スペクトルのより局所的な次元（サブミクロン程度）を、顕著な電気吸収特性なしに観察できます。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での電荷キャリア分布のマッピングが可能になります。^[9]言い換えれば、機能的なキャリア形態を観察できます。局所的なキャリア密度はポリマーの微細構造に関連していることがよく知られています。密度汎関数理論の計算に基づいて、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できます。^[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ります。^[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します。

• 共焦点顕微鏡
• 有機電界効果トランジスタ
• スターク効果
• 紫外可視分光法

• 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-正孔縮小有効質量、およびバンドギャップの電気吸収分光測定」ACS Photonics。3 ( 6 ): 1060–1068。doi : 10.1021/acsphotonics.6b00139。
• 内田 亮; 矢田 秀; 牧野 正; 松井 勇; 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。Bibcode : 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 .