1

1

Pooljuhtmaterjalide optiline spektroskoopia

Prof. Jüri Krustok

Kontakt: krustok@staff.ttu.eeWWW: staff.ttu.ee/~krustok

2

Pooljuhtmaterjalide optiline spektroskoopia

Optiline neeldumineFotoluminestsentsPäikesepatareide spektraalkarakteristikud.Raman spektroskoopia

3

Generatsioon ja rekombinatsioon

• Vabu lisalaengukandjaid võib pooljuhti sisestada mitmeti.

• Kõige laiemalt levinud on nn. fotogeneratsioon.

Kui footoni energia (hν) on suurem, kui pooljuhi keelutsooni laius, siis neeldunud valgus on võimeline tekitama elektron-augu paare.

Eg

hν

4

Valguse neeldumine pooljuhis

0 lx

It = I0 exp (−αl )

kus I0 on valguse intensiivsus kohas x = 0 ja It on intensiivsus kohas x = l, α- neeldumiskoefitsient (sõltub lainepikkusest).

I0 It

l

pooljuht

hν hν

2

5

Valguse neeldumine pooljuhisNeeldumine kõrgemate tsoonide vahel

Eksitonide neeldumineTsoon-tsoon neeldumine

Neeldumine defektidel

Vabade laengukandjateneeldumine

Foononid

6

Mõningate pooljuhtide neeldumiskoefitsiendi sõltuvus lainepikkusest.

Otsene tsoon

Kaudne tsoon

7

Neeldumine otsese tsooni korral

hν =Eg

E

k

Valentstsoon

Juhtivustsoon

Foononeid ei kaasata!

2/1)( gEhA −≈ να

8

Neeldumine kaudse tsooni korral

hνfooton~Eg

E

k

kfoonon

Juhtivustsoon

Valentstsoon

Neeldumine toimub foononitekaasabil!

3

9

Neeldumine kaudse tsooni korral

Ge

2)( ωνα h±−≈ gEhA

Foononi energia

10

Neeldumine kaudse tsooni korral

Foononikiirgamisega seotud neeldumine

Foononineelamisega seotud neeldumine

11

Neeldumine ränis

Kaudne keelutsoonEg =1.1 eV

KRIITILISED punktid:E1 = 3.2 eVE2 = 4.3 eV

12

Neeldumine ränis

Kriitilised punktid kohtades,kus dE/dk=0, s.t. kohtades,kus juhtivustsoon on paralleelnevalentstsooniga

Neeldumine ~ olekute tihedus

g(E) ~ 2g(k)(dE/dk)-1

4

13

Neeldumine üldiselt

mgEh

hA )( −= νν

α

m = ½ otsene lubatud üleminek

m = 2 kaudne lubatud üleminek

m= 3/2 otsene keelatud üleminek

m= 3 kaudne keelatud üleminek

14

Urbach’i saba

15

Urbach’i saba

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −= )(exp)( g0 EEkT

KE σα

16

Moss-Burstein’i nihe

Tugevalt kõdunud materjalis hakkab neeldumisest leitud EG sõltuma laengukandjate kontsentratsioonistSiis EG=EG0+EF

EF tase asub sügaval juhtivustsoonis

5

17

Eksitonid

raadius>> aväike seoseenergialiigub vabalt kristallis

raadius~asuur seoseenergialokaliseerunud

18

Eksitonid

Eksiton- elektron juhtivustsoonis ja auk valentstsoonis on füüsiliselt ruumis teineteisele lähedal ning omavad justkui ühist massitsentritEksiton ei lisa midagi juhtivusele, ta on neutraalneVabad eksitonid- FEDoonoritega seotud eksitonid- D0XAktseptoritega seotud eksitonid- A0X

19

Eksitonide neeldumine

Vesinikumudel:

En = Eg-Rx/n2

T< (Rx/k)- s.t. väga madalad temperatuurid

20

Eksitonneeldumine (GaAs)

T=1.2KRx=4.2 meV

6

21

Neeldumise muud mehhanismid

LisandneeldumineTsoonidevaheline neeldumineNeeldumine läbi omadefektideNeeldumine vabadel laengukandjatelNeeldumine võre võnkumistel

22

Neeldumine vabadel laengukandjatel

23

Tsoonidevaheline neeldumine

Infrapunane tsoonidevaheline neeldumine p-tüüpi pooljuhis

24

FotogeneratsioonFotogeneratsioonis genereeritakse võrdselt auke ja elektrone, kusjuures iga footon genereerib ühe elektron-augu paari. Siis võib kirjutada:

( ) xeGxGtp

tn αλ −==

∂∂

=∂∂

L0Lvalgusegavalgusega ,||

kus GL0 fotogeneratsiooni kiirus [e-h paare / (cm3 s)] kohasx = 0

7

25

Fotogeneratsioonn0, p0 – olgu need kontsentratsioonid termilise tasakaalu korraln, p – reaalsed häiritud kontsentratsioonid, sõltuvad ajast t

∆n = n – n0∆p = p – p0

Nt olgu rekombinatsioonitsentrite kontsentratsioon (tsentreid/cm3)

Eeldame et ergastus pole liiga suur, s.t. Põhiliste laengukandjate kontsentratsiooni muutus on tühine, näit. n-tüübi jaoks ∆p << n0 ; n ≈ n0.

∆n ja ∆p on kontsentratsioonide muutused võrreldes tasakaaluolekuga, ∆n ja ∆p võivad olla nii positiivsed kui ka negatiivsed.

26

FotogeneratsioonVaatleme ikka n-tüüpi materjali. Tähtsust omavad siin mittepõhilised laengukandjad, s.t. AUGUD:Siis:

( )λ+∂∂

+∂∂

=∂∂ ,xG|

tp|

tp

tp

LGR

aukudemuutus

(kadu)rekom-

binatsioonitõttu

(juurdekasv)tänu

generatsioonile

välinemõju

valgus

Rtp∂∂

on võrdeline p ja Nt -ga.

pNC|tp

tpR −=∂∂ Cp – rekombinatsiooni

konstant = vthσn(p)

27

FotogeneratsioonTermiline

generatsioonG

Termilinerekombinatsioon

R

Soojussisse välja

FotogeneratsioonGL

Kiirguslikrekombinatsioon

28

Rekombinatsioonimehhanismid

Kiirguslik rekombinatsioon e. luminestsentsMittekiirguslik rekombinatsioon

8

29

Luminestsentsi mõõtmine

30

Luminestsentsi mõõtmine

Fotoluminestsentsi mõõtmisskeem: 1– laser, 2– filter, 3– modulaator, 4–peegel, 5- lääts, 6– krüostaat, 7 ja 8 – läätsed, 9– filter, 10–monokromaator, 11– detektor, 12– lock – in võimendi, 13– arvuti.

31

Luminestsentsi mõõtmine

Detektorid:Fotoelektronkordistid:

FEU-79 (nähtav piirkond)

R632- spektri punane piirkond

Pooljuhtdetektorid:

Si- nähtav ja lähedane infrapunapiirkond

InGaAs- lähedane infrapunapiirkond

PbS- kaugem infrapunapiirkond

32

9

33

Kiirgusliku rekombinatsiooni kanalid

Tsoo

n-ts

oon

Eks

itoni

d

Äär

ekiir

gus

läbi

m

adal

ate

tase

met

e

Süg

avat

e ts

entri

te k

iirgu

s

34

E, eV

EgBandBand--toto--bandband

EEksitonidksitonid

MadaladMadaladdefektitasemeddefektitasemed

Sügavad defektidSügavad defektid

Luminestsentsi ribad:

35

Luminestsents pooljuhtides

Rekombinatsiooniline

Tsentrisisene

36

Luminestsents pooljuhtides

Rekombinatsiooniline

Intensiivsus sõltub tühjade tsentrite kontsentratsioonist Nkui ka vabade elektronide kontsentratsioonist n

NndtdNI β=−=

β = σ<v> - rekombinatsiooni koefitsient

elektronide keskmine kiirus

tsentri efektiivne haarderistlõige

10

37

Luminestsents pooljuhtides

Rekombinatsioonilise luminestsentsi ajaline kustumine

( )[ ]22/10

0

1 tIIIβ+

=

21t

I ≈Seega:

38

Luminestsents pooljuhtides

Tsentrisisene- monomolekulaarne protsess, intensiivsus sõltub vaid tsentrite arvust.

)exp(

)exp(

0

0

tII

tNNdtdNI

α

ααα

−=

−==−=

)exp(

1

0 τ

ατ

tII −=

= tsentri ajakonstant

39

Äärekiirgus otsese pooljuhi korral

40

Äärekiirgus otsese pooljuhi korral

11

41

GaAs äärekiirgus

)exp()(~)( 2/1

kTEh

EhAhI gg

−−−

ννν

42

Äärekiirguse rakendused

ValgusdioodidPooljuhtlaseridKvantkaevudel ja supervõredel põhinevad laserid

43

Tööstuslikud valgusdioodid

Ühend

GaAs0.6P0.4GaAs0.35P0.65:NGaAs0.14P0.86:NGaP:NGaP:Zn-OAlGaAsAlInGaPAlInGaPAlInGaPSiCGaN

Värvus

PUNANEORANZH-PUNANEKOLLANEROHELINEPUNANEPUNANEORANDZHKOLLANEROHELINESININESININE

44

GaAs elektroluminestsets

12

45

GaAs laserdiood

46

Kvantkaev ja supervõre

47

Neeldumine kvantkaevus

48

Neeldumine kvantkaevus

13

49

Eksitonid

E (eV)Eg

FE

DX

AX

~meV

50

Eksitonide luminestsentsS.H. Song et al. / Journal of Crystal Growth 257 (2003) 231–236

CdTe eksitonkiirgus

51

Eksitonid CuInS2 –s.

52

Doonor-aktseptorpaaride luminestsents

14

53

Doonor-aktseptorpaaride luminestsents

Elektroni ja augu omavahelise rekombinatsiooni tõenäosus: WDA=Wo exp(-2R/ao)Iga DA paari kiirguse energia sõltub D ja A vahelisest kaugusest R:

Madalate tasemete puhul mängib olulist rolli ka paaride jaotumine kauguste järgi:

ReEEERh ADgDA ε

ν2

)()( ++−=

)3

4exp(4)( 34 RNRNNRN DADDAππ −=

54

Doonor-aktseptorpaaride luminestsents

GaP klassikalinetööPhys. Rev. 133,1964, p. A269

55

Doonor-aktseptorpaaride luminestsents

GaP klassikaline töö: Phys. Rev. 133, 1964, p. A269

56

GaN t-shift

MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 6, 12(2001).

Doonor-aktseptorpaaride luminestsents

R suurenebW väheneb

t suurenebEmax väheneb

s.t. kiiremini rekombineeruvad lähedased paarid

15

57

GaP j-shift

Phys. Rev. B, 6, 1972, 3072

Doonor-aktseptorpaaride luminestsents

R suurenebW väheneb

Ilaser suurenebEmax suureneb

s.t. kiiremini lähevad küllastusse suure R-ga paarid

58

Sügava doonori- sügava aktseptori paarid -> DD-DA paarid.

DD-DA paarid on defektid, mis avalduvad nii kolmikühendites kui ka binaarsetes ühendites.Võimalikud on vaid väga lähedased paarid väga sügavate defektide vahel.Lähedaste paaride vahelist energiat on võimalik välja arvutada.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=∆

nmmn rr

eE 112

ε

59

DD-DA paarid

D1 D2 W

ED0

EA0

c-band

v-band

as grown compensated

D1

D2

r1r2

r∞

60

0.6 0.8 1.0 1.2

D6D1

CuInS2

E (eV)

D6 D1AgInS2

PL

inte

nsity

(a.u

.)

D6 D1

CuGaSe2

D6

D1

CuIn0.5

Ga0.5

Se2

DD-DA paaridele vastav kiirgus erinevates kolmikühendites.

Teoreetiliselt arvutatud ribade asukohad on toodud vertikaaljoontega.

DD-DA paarid

16

61

0.50 0.55 0.60 0.650

1

2

3

4

5

hω1

hω2

T=8K

CuInS2

a)

PL in

tens

ity (a

. u.)

E (eV)

0.620 0.625 0.630

D50

D40

b)

DD-DA paarid võivad siduda ka eksitone ja anda üsna erakordseid spektreid:

Toodud ülikitsad jooned kuuluvad CuInS2 sügavatele DD-DA paaridele lokaliseerunud eksitonidele.

DD-DA paarid

62

DD-DA paarid CdTe-s.

Erinevad võimalikud võrevahelised tühimikud-erinevad PL ribad.

J. Krustok, H. Collan, K. Hjelt, J. Mädasson, V. Valdna. J.Luminescence , v. 72-74, pp. 103-105 (1997).

63

DD-DA paarid erinevate kristallstruktuuride korralPossible distances between the two interstitial positions (i1 or i2), and the

Ag or In sites, respectively, in the chalcopyrite and orthorhombic lattice of

AgInS2 . Starting from the shortest one, the distances are labelled D1, D2, …

etc.

Chalcopyrite Orthorhombic

No Lattice sites Distance, Å Lattice sites Distance, Å

D1 Ag-i2,In-i2 2.49 In-i2,Ag-i1 2.48

D2 Ag-i1,In-i1 2.8 Ag-i1,In-i2 2.51

D3 Ag-i1,In-i1 2.91 In-i1,Ag-i2 3.45

D4 Ag-i2,In-i2 4.68 In-i1,Ag-i2 4.8

D5 Ag-i2,In-i2 4.81 In-i1,Ag-i2 4.81

D6 Ag-i1,In-i1 4.98 In-i1,Ag-i2 5.3

D7 In-i2 6.23 In-i1,Ag-i2 6.26

AgInS2 halkopüriit ja ortorombiline struktuur

64

0.8 1.0 1.20

1

2

3

4

5

c-AgInS2

T=8K

D6

D5D4

D3 D2D1

PL in

tens

ity (a

. u.)

E (eV)

0.6 0.8 1.0 1.20

20

40T=8K

o-AgInS2

D6 D4D5 D3 D2 D1

PL in

tens

ity (a

. u.)

E (eV)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

DD-DA paarid AgInS2 -s

Halkopüriit Ortorombiline

17

65

EETT

PLPL

TTermiliseltermiliseltvabastatud augudvabastatud augud

Fotoluminestsentsi termiline kustumine

0 20 40 60 80 100 120 140-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Fitting Experiment

ln (I

)

1000/T (1/K)

ET =114 ± 6 meV

66

Fotoluminestsentsi termiline kustumine

Olemasolevad teoreetilised käsitlused andsid vastuolulisi tulemusi madalatemperatuurses osas.

Intensiivsuse temperatuursõltuvuse kirjeldamiseks kasutati tihtikahte aktivatsioonienergiat:

J. . KrustokKrustok, H. , H. CollanCollan, and K. , and K. HjeltHjelt. J. . J. ApplAppl. Phys. v. 81, N 3, pp. . Phys. v. 81, N 3, pp. 14421442--1445 (1997) .1445 (1997) .

)/exp()/exp(1)(

2211

0

kTEkTEITI

TT −+−+=

αα

( )( )kTETT

ITIT /exp1 2

3

22

3

1

0

−++=

ϕϕ

67

Konfiguratsioon koordinaatide meetod

Kaheaatomilise molekuli mudel- harmooniline ostsillaator

F = -kx

∫ ==⇒−=x kxkxdxEFdxdE0

2

2

x Parabool!!

68

Konfiguratsioon koordinaatide meetod

Kaheaatomiline süsteem- r reaalne kaugus Kristall- R nn. konfiguratsiooni koordinaat

18

69

Konfiguratsioon koordinaatide meetodFrank- Condoni printsiip:

Elektronüleminekud toimuvad nii kiiresti, et aatomite omavaheline asukoht ei jõua veel muutuda:

VERTIKAALSED ÜLEMINEKUD KK ruumis

70

Konfiguratsioon koordinaatide meetod

ω

ω

h

h

SW

kTWW

2ln8

2coth

0

0

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

1. Kiirgusriba poollaiuse sõltuvus temperatuurist.

CdTe

71

Konfiguratsioon koordinaatide meetod

)/exp(10

kTEII

T−+=

α

2. Tsentrisisene kustutamine

ET

Mott’i valem

ωhSEE emissabs 2=− S- Huang-Rhys faktor e. kesmine foononite arvüleminekul 72

Luminestsentsiriba kuju

Teooria – Pekar, Huang, Rhys, jt.Üldine PL riba kuju on üsna keerulineLihtsustused:

T=0vastasmõju ühe konkreetse foononiga nii ergastatud kui ka põhiolekus

Siis on võimalik välja arvutada rekombinatsiooni tõenäosust ergastatud oleku igalt tasemelt põhioleku igale tasemele-need tõenäosused alluvad Poissoni jaotusele

19

73

Poissoni jaotus!

)exp()(r

rPr µµ −

=

74

Luminestsentsiriba kuju

Siis kiirgusriba kuju avaldub:

∑ −−−

=m

m

EmEm

SSIEI )(!

)exp()( 00 ωδ h

üksiku ribakese kuju sõltub vastasmõjust väiksema energiaga (akustiliste) foononitega

Olukord läheb keerulisemaks, kui ergastatud ja põhioleku nn. jõukonstandid on erinevad!! Aga see on juba omaette teema

75

Luminestsentsiriba kuju

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.85 0.90 0.95 1.00 1.05

IntF(x)

∑ −−−

=m

m

EmEm

SSIEI )(!

)exp()( 00 ωδ h

E0m=0

m=1

m=2

foononi energia

Gaussi kujuga üksikudfoononrepliigid

0-foonon joon

PEKARIAAN

S=0.47

76

0.50 0.55 0.60 0.650

1

2

3

4

5

hω1

hω2

T=8K

CuInS2

a)

PL

inte

nsity

(a. u

.)

E (eV)

0.620 0.625 0.630

D50

D40

b)

Luminestsentsiriba kuju

PL riba kuju CuInS2 –s

Näha on vastasmõju kahe erineva foononiga

20

77

Luminestsentsiriba kuju

( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −−= 2

2max

02ln4exp)(

WEEIEIGaussi kuju:

( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −−−= 2

20

0 )(2ln82ln4exp)(

ωω

h

h

SSEEIEI

Kui Pekariaanis S -> ∞, siis muutub Pekariaan samuti Gaussiaaniks:

78

0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.050

50000

100000

150000

200000

PL in

tens

ity (a

. u.)

E (eV)

0

5000

10000

15000

20000

Luminestsentsiriba kuju

Lorenz’i kuju

Gaussi kuju

79

Tugevalt “legeeritud” materjalide luminestsents

Suurem osa uuritavatest kolmikühenditest on nn. tugevalt legeeritud

Tugev legeerimine: defektide vaheline kaugus on väiksem kui laengukandjate Bohri raadius.

Juhtivus- ja valetstsooni ääri mõjutavad tugevalt potentsiaali fluktuatsioonid.

80

1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0T=12.5K

PL in

tens

ity

E, eV

• J. Krustok, H. Collan, M.Yakushev, K. Hjelt. Therole of spatial potentialfluctuations in the shape ofthe PL bands of multinarysemiconductor compounds.Physica Scripta , T79, pp.179-182 (1999).

Tugevalt “legeeritud” materjalide luminestsents

Tüüpiline tugevalt legeeritudCuInGaSe2 PL spekter

21

81

Teoreetiline mudel PL ribade kirjeldamiseks tugevalt legeeritud kolmikühendites.

Fn

Eg

ε

BBBT

ρc

ρv

Ec

Ev

Tugevalt “legeeritud”kolmikühendi tsoonipiltning olekute tihedusefunktsioonid.

Teooria: Shklovskii, EfrosLevaniuk, Osipov

82

Olekute tiheduse funktsioon sabas:

BT riba kuju avaldub:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−=

k

ecec

EEE

0

00 exp)(

γρρ

Teoreetiline mudel PL ribade kirjeldamiseks tugevalt legeeritud kolmikühendites.

∫∫ −−∝ hehehhhveeecheBTBT dEdEhEEEqEEfEEEWhI )()()()()(),()( νδρρν

83

1.1 1.2 1.3 1.40

1

2

3

4

5

240 K210 K

190 K175 K160 K145 K130 K120 K110 K95 K

80 K70 K60 K50 K40 K30 K20 K15 K12.5 K

PL in

tens

ity (a

. u.)

E (eV )

BB-band

BT-band

• J. Krustok, H. Collan, M.Yakushev, K. Hjelt. Therole of spatial potentialfluctuations in the shape ofthe PL bands of multinarysemiconductor compounds.Physica Scripta , T79, pp.179-182 (1999).

Tugevalt legeeritud CuInGaSe2 äärekiirguse spekter

BB ja BT kiirgused

84

BB ja BT ribade temperatuursõltuvused

0 50 100 150 200 2501.21

1.22

1.23

1.24

1.29

1.30

1.31

T2 = 175K

hνmax~ 2.1kT

BT- band

BB- band

T1=96K

hνmax~ - 4.4kThν

max

(eV

)

T (K)

BT ja BB ribademaksimumidetemperatuursõltuvused.

• J. Krustok, J. Raudoja, M.Yakushev, R. D.Pilkington, and H. Collan.phys. stat. sol. (a) v. 173,No 2, pp. 483-490 (1999).• J. Krustok, H. Collan, M.Yakushev, K. Hjelt.Physica Scripta , T79,pp. 179-182 (1999).

22

85

Rekombinatsioon tugevalt legeeritud pooljuhtides

86

Mittekiirguslik Auger rekombinatsioon

Osalevad 3 laengukandjat.

Elektron-augu rekombinatsioonistvabanev energia antakse kolman-dale elektronile.

See kolmas elektron kiirgab energia mittekiirguslikult foononitekaudu

Auger rekombinatsioon

87

Paljudes materjalides võib rekombinatsioon minna ka läbi defektitasemete mittekiirguslikult.Mittekiirgusliku rekombinatsiooni osakaalu näitab kvantväljund.Kustutustsentrid-> s-tsentrid

Mittekiirguslik rekombinatsioon läbi defektide

88

Päikesepatareide spektraalkarakteristikud

23

89

-6.0

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Cell Voltage (V)

Cell

Curr

ent (

mA

/cm

2 )

Jsc (short-circuit current)

Voc(open-circuitvoltage)

Ideal solarcell

Päikesepatarei tüüpiline I-V kõver

MaximumEfficiency η = powerlight

FFVJpowerlightVJ ocscmm ⋅⋅

=⋅

Jm, Vm

Pmax = Jm•Vm

Power output = J•V

FF =ocsc

mm

VJVJ⋅⋅

Fill Factor

90

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.003.03.03

373T - 2

366T - 6

Spec

tral r

espo

nse

(a.u

.)

λ (nm)

Mõnede meie päikesepatareide spektraalkõverad.

Spektraaltundlikkuse mõõtmised.

Kaotatudvool

Ideaalne kõver

91

Spektraaltundlikkuse mõõtmised.

Teoreetiliselt peaks CuInSe2-CdS-ZnO päikesepatarei kvantefektiivsus avalduma valemiga:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−

−−−−=CISCIS

CISCISCdSCdSZnOZnO L

WddRQααααλ

1)exp(1)exp()exp()1()(

R- Kaod peegelduseleα- neeldumiskoefitsiendidL – mittepõhiliste laengukandajate difusioonitee pikkusW- siirdeala paksusd- vastava kihi paksus

92

Spektraaltundlikkuse mõõtmised

Pikalainelises e. Infrapunases osas on ligikaudne sõltuvus selline:

Efektiivne kogumistee pikkus Siirdeala paksus

Kui Ldiff ~ w , siis hakkab spektraalkarakteristik sõltuma vastupingest!!!

24

93

Päikesepatarei Stuttgardi ülikoolist

94

TTÜ päikesepatarei erinevatel vastupingetel

95

KvantefektiivsusErinevat tüüpi päikesepatareide kvantefektiivsuste spektrid.

• A73-1 - väävli järeltöötlust saanud monoterakihiline CuInSe2 päikesepatarei.

• A74-1 - seleeni järeltöötlust saanud monoterakihiline CuInSe2 päikesepatarei.

• x14 - õhukesekileline Cu(In,Ga)Se2 tüüpi päikesepatarei.

Erinevat tüüpi päikesepatareide kvantefektiivsuse spektrite tuletised.

• A74-1 - tuletise maksimumi asukohale vastab CuInSe2 keelutsooni laius.

• A73-1 - tuletiste maksimumide asukohtadele vastavad ligikaudu CuInSe2 ja CuInS2 keelutsooni laiused.

• x14 - tuletise maksimumi asukohale vastab Cu(In,Ga)Se2 keelutsooni laius. 96

Raman spektroskoopia

50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

5

10

15

20

25

30

35

40

Mo2S

384

408

SGG049vac annealed + 2*KCN +CdS

Ram

an in

tens

ity (a

. u.)

Raman shift (cm-1)

Molübdeeniga kaetud klaasilesadestatud CuInS2 kihi Ramanspekter

Kalkopüriidse CIS joon

Cu-Au struktuurigaCIS joon

Ühikuks 1/λ , s.t. kaugus laserijoonest.

25

97

Millest selline nimi?

98

Valguse ja aine koosmõju

Kui ainele lasta peale valgust, siis valgus võib neelduda, peegelduda või hajuda.

HAJUMINE võib olla:Elastne (Rayleigh) → λhajunud = λlangev

Mitteelastne (Raman) → λhajunud ≠ λlangev

Valguse lainepikkus muutub Ramani hajumisel

99

Elastne (Rayleigh) hajumine

Elastsel hajumisel sõltub hajumise intensiivsus pealelangeva valguse lainepikkusest λ ja ka hajumise nurgast Θ

Mida sinisem on valgus, seda paremini hajutab!

Sinine taevas- päikesekiirguse Reyleigh hajumine õhu molekulidel!

Udutuled peaks olema punasemad!

100

Raman vs. Rayleigh hajumineRamani joonteintensiivsus on107 kordanõrgem kui onlaseriintensiivsus

26

101

Ramani efekti füüsika

Ramani hajumise mehhanismid:Molekulides: Molekuli sidemed võivad

venidaväändudadeformeeruda teise tasandisse

KristallidesKasvavad võre võnkumised → genereeritakse nn. termooptilisi foononeid

CO2 molekuli venimine102

Ramani hajumise spekterRamani spektris näeme:

1. Rayleigh piiki (∆E=0)2. Anti-Stokes jooni, kus energiaon suurenenud, s.t. ∆E<03. Stokesi jooni, kus energiaon vähenenud, s.t. ∆E>0

Üldiselt registreeritakse alatiStokesi jooni, kus energia vähenebja seega lainepikkus on SUUREMkui laseri lainepikkus.

103

Ramani hajumise spekterRamani jooned on alati

üsna lähedal ergastava laseri joonele

Joonte eraldatus on suurem punasemalaseri puhulJoonte intensiivsus on võrdeline [1/λlaser]4

sinise laseriga signaal on tugevam!

400Wavelength

0

10

20

30

40

50

60

Inte

nsity

BLU

E la

ser

GR

N la

ser

RE

D la

ser

Fluorescence

Raman shift

Fluorestsents segab spektri saamist!!104

Raman spektromeeter

HORIBA Jobin YvonLabRam HR

VB korpuse keldris

27

105

Raman spektromeeter (vaade tagant)

106

Kes teid aitavad:

Mati Danilson Maarja Grossberg

107

Lõpetuseks

KONTAKT: VB korpuse II korrus VB-224Pooljuhtmaterjalide tehnoloogia õppetool

staff.ttu.ee/~krustokkrustok@staff.ttu.ee