3. Metodolog´ıa
4.3. Mediciones de fotocorriente modulada
4.3.3. Se˜ nal de fotocorriente modulada dependiente de la frecuencia
En la figura 4.8, se grafica la amplitud de la se˜nal de fotocorriente modulada en funci´on de la frecuencia de modulaci´on para las tres muestras, aplicando a los electrodos un campo el´ectrico externo de E0 = 400 V /cm.
A bajas frecuencias de modulaci´on (menores a 10 Hz), la se˜nal de fotocorriente modulada se comporta independiente de la frecuencia. A frecuencias altas, la se˜nal
Figura 4.8: Fotocorriente vs frecuencia de modulaci´on Ω/2π a distintas concentraciones de los componentes: (1:1), (0.4:1) y (0.25:1). E0 = 400 V /cm, I0 =0.82 W/cm2
comienza a decaer como 1/Ωβ donde β es 0.9 para la muestra (1:1) y 0.4 para las
muestras (0.4:1) y (0.25:1).
Se observa que la se˜nal de fotocorriente es m´axima para raz´on de concentraci´on de (1:1) que para las otras dos muestras. Si se aumenta la cantidad de sensitizador, la se˜nal de fotocorriente decae m´as lento a frecuencias de modulaci´on altas.
En las figuras 4.9, 4.10, y 4.11, se muestran las gr´aficas de la respuesta de fotocorriente modulada en funci´on de la frecuencia de modulaci´on Ω/2π para las tres muestras con composici´on: (1:1), (0.4:1) y (0.25:1), respectivamente. En cada figura se muestran las gr´aficas para tres diferentes intensidades de luz incidente: 1.66 W/cm2
, 0.82 W/cm2
y 0.41 W/cm2
Figura 4.9: Fotocorriente modulada vs frecuencia de modulaci´on Ω/2π. Composici´on de reactivos P3HT y PCBM (1:1), E0 = 572 V /cm. (a) I0 =1.66 W/cm2 (negra), (b) I0 =0.82
W/cm2 (roja), (c)I
0=0.41 W/cm2 (azul).
Para las gr´aficas (a), (b) y (c), de la figura 4.9, a bajas frecuencias de modu- laci´on, la se˜nal de fotocorriente modulada es independiente de la frecuencia (antes de 10 Hz). A medida que la frecuencia de modulaci´on incrementa, la se˜nal de foto- corriente de la gr´afica (a) y (b) decaen con una raz´on de 0.9 y la se˜nal de la grafica (c) decae con una pendiente de 0.7. Se estima que la frecuencia de corte Ωc/2π,
corresponde a 76.6 Hz y con un tiempo caracter´ıstico de τph≈ 13ms. Puede notarse
que la frecuencia de corte es la misma en cada caso, esto quiere decir que el tiempo de vida no depende de la intensidad de iluminaci´on. Por otro lado, la amplitud de
la se˜nal de fotocorriente es proporcional a la intensidad de iluminaci´on del l´aser.
Figura 4.10: Fotocorriente modulada vs frecuencia de modulaci´on Ω/2π. Composici´on de reactivos P3HT y PCBM (0.4:1), E0 = 572 V /cm. (a) I0 =1.66 W/cm2 (negra), (b)
I0=0.82 W/cm2 (roja), (c)I0 =0.41 W/cm2 (azul).
En las gr´aficas de la figura 4.10, a frecuencias de modulaci´on bajas, la se˜nal de fotocorriente es constante. En frecuencia de modulaci´on altas, la se˜nal de foto- corriente decae con una raz´on de 0.7. La frecuencia de corte Ωc/2π corresponde a
80.4 Hz y con un tiempo caracter´ıstico de τph ≈12.4 ms. Se puede observar que la
amplitud de la se˜nal de fotocorriente es proporcional a la intensidad de luz incidente y la frecuencia de corte es la misma para las tres mediciones, esto se debe a que el tiempo de vida no depende de esta intensidad.
Figura 4.11: Fotocorriente modulada vs frecuencia de modulaci´on Ω/2π. Composici´on de reactivos P3HT y PCBM (0.25:1), E0 = 572 V /cm. (a) I0 =1.66 W/cm2 (negra), (b)
I0 =0.82 W/cm2 (roja), (c)I0 =0.41 W/cm2 (azul).
En la figura 4.11, para la gr´afica (a) el decaimiento de la se˜nal de fotocorriente modulada corresponde a una raz´on de 0.5 y para las gr´aficas (b) y (c) la raz´on de decaimiento es de 0.4. Tambi´en, se puede notar que la amplitud de la se˜nal de fotocorriente es proporcional a la intensidad de iluminaci´on. En la grafica (a), la frecuencia de corte Ωc/2π es 27 Hz, con un tiempo caracter´ıstico de τph ≈37 ms.
Para las gr´aficas (b) y (c), la frecuencia de corte Ωc/2π es la misma, 69.7 Hz, con
un tiempo caracter´ıstico de τph ≈14.3 ms; en este caso el tiempo de vida no depende
de la intensidad.
En esta dependencia, los resultados arrojan que el decaimiento de la se˜nal de fotocorriente es m´as lento si aumenta la cantidad de sensitizador.
4.3.4.
Se˜nal de fotocorriente modulada dependiente de la
frecuencia de modulaci´on para distintos voltajes
En la figura 4.12, 4.13 y 4.14, se muestran las gr´aficas de la respuesta de foto- corriente modulada en funci´on de la frecuencia de modulaci´on para tres diferentes valores de voltaje DC aplicado a los electrodos de la muestra.
Figura 4.12:Fotocorriente modulada vs frecuencia de modulaci´on Ω/2π. Composici´on de reactivos P3HT y PCBM (1:1), I0=0.82 W/cm2. (a) U0 =28.6 V (negra), (b) U0 = 20 V
(roja), (c) U0= 10 V (azul).
Para las muestras (1:1) y (0.25:1), ver graficas 4.12 y 4.14, el comportamiento de la se˜nal de fotocorriente modulada es el mismo que en los casos. En estas mues- tras el tiempo de fotoconductividad no depende del campo el´ectrico aplicado. Este
comportamiento no es t´ıpico en semiconductores org´anicos, esto es una prueba m´as de que el rango de valores de campo el´ectrico son peque˜nos.
Para la muestra (0.4:1), ver figura 4.13, los resultados de las gr´aficas (b) y (c) arrojan que el tiempo de fotoconductividad no depende del campo el´ectrico aplicado. La frecuencia de corte es 40.1 Hz y un tiempo caracter´ıstico de τph ≈24.3 ms. En
la gr´afica (a), la frecuencia de corte Ωc/2π es 80.4 Hz, con un tiempo caracter´ıstico
de τph ≈12.4 ms.
Figura 4.13: Fotocorriente modulada vs frecuencia de modulaci´on Ω/2π. Composi- ci´on de reactivos P3HT y PCBM (0.4:1), I0 =0.82 W/cm2. (a) U0 =28.6 V (negra),
(b) U0 = 20 V (roja), (c) U0 = 10 V (azul).
Puede observarse que el tiempo de fotoconductividad tampoco depende de la raz´on de concentraci´on entre los componentes P3HT:PCBM.
Figura 4.14: Fotocorriente modulada vs frecuencia de modulaci´on Ω/2π. Composi- ci´on de reactivos P3HT y PCBM (0.25:1), I0 =0.82 W/cm2. (a) U0 =28.6 V (negra),
(b) U0 = 20 V (roja), (c) U0 = 10 V (azul). Composici´on τph (ms) β (1:1) 13 0.9 (0.4:1) a) 12.4 a) 0.7 b), c) 24.3 b), c) 0.4 (0.25:1) 14.3 0.4
Cuadro 4.2:Valores del tiempo de fotoconductividad y de la raz´on de decaimiento β para las muestras (1:1), (0.4:1) y (0.25:1).
4.4.
Mediciones de foto-FEM
Para conocer las propiedades fotoconductoras de pel´ıculas delgadas de se- miconductores org´anicos a base de una mezcla pol´ımero, P3HT y PCBM, en esta secci´on se presentan las mediciones realizadas en el laboratorio del efecto de foto- FEM en diferentes dependencia caracter´ısticas como: intensidad de iluminaci´on I0,
frecuencia de modulaci´on Ω, amplitud de modulaci´on ∆, y campo el´ectrico externo E0. Se procesaron los datos experimentales y se grafic´o en escala doble logar´ıtmica
en Origin. La muestra que se analiz´o tiene una concentraci´on de (1:1); con una se- paraci´on entre los electrodos de x0 =0.5 mm. Se us´o un l´aser de He-Ne que opera
a una longitud de onda de 632 nm. El ´angulo entre los haces es de 90o
, entonces la frecuencia espacial de la rejilla de iluminaci´on es K =19.88×106 m−1. Todos los
resultados obtenidos son graficados en escala doble logar´ıtmica.
4.4.1.
Se˜nal de foto-FEM dependiente de la amplitud de
modulaci´on
En la figura 4.15, se grafica la se˜nal de foto-FEM en funci´on a la amplitud de modulaci´on. Se fij´o la frecuencia de modulaci´on a 700 Hz y la intensidad del l´aser a 0.96 W/cm2
. A bajas amplitudes de modulaci´on, ∆ < 1 Vp−p, la se˜nal
de foto-FEM tiene un comportamiento lineal. Pero a amplitudes de modulaci´on altas, ∆ > 1 Vp−p, se satura. Tal como se predice en la teor´ıa. Aqu´ı los resultados
experimentales arrojan que estamos en el r´egimen lineal de modulaci´on donde la teor´ıa est´andar tiene validez.
Figura 4.15: Se˜nal de foto-FEM vs amplitud de modulaci´on ∆. Composici´on de reactivos P3HT y PCBM (1:1), E0 = 0 W/cm2, Ω/2π = 700 Hz, I0 =0.96 W/cm2.
4.4.2.
Se˜nal de foto-FEM dependiente de la frecuencia de
modulaci´on
En la figura 4.16, se muestra la gr´aficas de la respuesta de foto-FEM variando la frecuencia de modulaci´on Ω/2π, para tres intensidades de iluminaci´on del l´aser diferentes: 0.96 W/cm2
, 0.48 W/cm2
(es la mitad de la intensidad total), y 0.24 W/cm2 (es un cuarto de la intensidad total). Se aplic´o al modulador una amplitud
Figura 4.16:Se˜nal de foto-FEM vs frecuencia de modulaci´on Ω/2π. Composici´on de reactivos P3HT y PCBM (1:1), E0 = 0 W/cm2, ∆ = 1 Vp−p. (a) I0 =0.96 W/cm2
(negra), (b) I0 =0.48 W/cm2 (roja), (c) I0=0.24 W/cm2 (azul).
A bajas frecuencias de modulaci´on, se observa un comportamiento lineal de la se˜nal de foto-FEM. En frecuencias de modulaci´on altas, la se˜nal de foto-FEM es independiente de esta frecuencia. Despu´es, la se˜nal decae debido a la frecuencia de corte del sistema de medici´on. Se puede observar que si la intensidad de iluminaci´on del l´aser disminuye a la mitad, entonces la frecuencia de corte se reduce en la misma proporci´on; por otro lado, se observa que pasa lo mismo con la amplitud de la se˜nal de foto-FEM. Las frecuencias de corte Ω0 correspondientes son: 257 Hz (para 0.96
W/cm2
), 138 Hz (para 0.48 W/cm2
) y 97 Hz (para 0.24 W/cm2
Figura 4.17:Dependencia de la frecuencia de corte vs Intensidad luminosa
4.4.3.
Se˜nal de foto-FEM dependiente de intensidad
En la figura 4.18, se puede observar la relaci´on entre la se˜nal de foto-FEM y la intensidad luminosa del l´aser. A bajas intensidades de iluminaci´on, la se˜nal tiene un comportamiento lineal justo lo que se predijo en la teor´ıa. Despu´es a intensidades de iluminaci´on altas, la se˜nal tiene un comportamiento sublineal, con una raz´on de cambio de 0.8, este comportamiento no esta dentro del rango de an´alisis de este trabajo.
Figura 4.18: Se˜nal de foto-FEM vs Intensidad luminosa I0. Composici´on de reac-
tivos P3HT y PCBM (1:1), E0 = 0 W/cm2, Ω/2π = 700 Hz ,∆ = 1 Vp−p.
4.4.4.
Se˜nal de foto-FEM dependiente del campo el´ectrico
externo
Finalmente, se obtuvieron resultados de la se˜nal de foto-FEM en dependencia con el campo el´ectrico externo E0aplicado a los electrodos de la muestra. En la figura
4.19, se observa este comportamiento. Justo donde la se˜nal de foto-FEM es m´ınima, encontramos que el campo el´ectrico correspondiente es E0 =324 V /cm, por lo cual
se encuentra que µτ =2.38×10−7 cm2
/V . Para un tiempo de fotoconductividad de τph = 13 ms, corresponde una movilidad de µ =1.8×10−5 cm2/V s y una longitud
Figura 4.19: Se˜nal de foto-FEM vs campo el´ectrico externo E0. Composici´on
de reactivos P3HT y PCBM (1:1), ∆ = 1 Vp−p, Ω/2π = 700 Hz, I0 =0.96 W/cm2,
Cap´ıtulo 5
Conclusiones
Se desarroll´o el proceso de fabricaci´on de pel´ıculas delgadas de semiconduc- tores org´anicos en el INAOE. Se midieron grosores de las pel´ıculas y espectros de absorci´on. Se comprob´o que el grosor de la pel´ıcula depende de la raz´on de concen- traci´on entre los reactivos, P3HT Y PCBM, es decir, a menor cantidad del reactivo PCBM, la mezcla org´anica ser´a m´as viscosa y en consecuencia el grosor de la pel´ıcula aumenta.
Se implement´o un arreglo experimental para medir la amplitud de fotocorrien- te modulada en intensidad y la amplitud de la se˜nal de foto-FEM no estacionaria en funci´on de la frecuencia de modulaci´on, intensidad luminosa, amplitud de modu- laci´on y campo el´ectrico externo y se determinaron las condiciones ´optimas para las mediciones.
Mediante la t´ecnica de fotocorriente modulada fue posible hallar el tiempo de vida de los portadores de carga para pel´ıculas delgadas de semiconductores P3HT Y PCBM. El tiempo de vida es τ = 13 ms y no depende de la intensidad de luz que incide sobre la muestra ni del campo el´ectrico externo.
El modelo te´orico de foto-FEM de estado no estacionario para un fotocon-
ductor y su aplicaci´on experimental en semiconductores inorg´anicos es compatible tambi´en para materiales org´anicos.
Pudo obtenerse por primera vez, el producto µτ de los portadores en pel´ıculas activas de semiconductores org´anicos. Este producto corresponde a 2.38×10−7 cm2
/V . Asumiendo la validez de la relaci´on de Einstein, la longitud de difusi´on es LD =0.77
µm. Los datos obtenidos coinciden con los datos presentados en la literatura para este tipo de materiales.
Ap´endice A
Caracter´ısticas de dispositivos
electr´onicos.
En esta secci´on se describen las caracter´ısticas principales de los dispositivos electr´onicos que se utilizaron en los arreglos experimentales para medir se˜nales de fotocorriente y foto-FEM.
L´aser de He-Ne
Este l´aser (modelo: 05-LPH-991, Melles Griot) opera a una longitud de on- da de 632.8 nm. Emite una luz linealmente polarizada (raz´on- 500:1) y tiene una potencia m´axima de 30 mW .
Por otro lado, es importante conocer la longitud de coherencia del l´aser de He-Ne que opera a 632.8 nm ya que en mediciones de foto-FEM el ´angulo entre los haces que interfieren cambia. Estas variaciones nos lleva a cambios en el camino ´optico para uno de los haces. El intervalo constante de camino ´optico esta restringido por una longitud de Lh ≈ 8 cm [52].
L´aser de Iones de Arg´on
El l´aser de Iones de Arg´on (modelo: Reliant 50s-457, LaserPhysics) opera a una longitud de onda de 457 nm. Tiene una polarizaci´on lineal vertical y un controlador de potencia de luz. La potencia m´axima es de 50 mW .
Amplificador Lock-in
El amplificador lock-in (modelo: SR510) se utiliza para detectar se˜nales muy peque˜nas con un sensitividad de 100 nV a 500 mV . Tiene una impedancia de 100 MΩ + 25 pF en acoplamiento ac. El voltaje umbral de da˜no es 100 VDC
y 10 VAC (saturaci´on a 2 VAC pico a pico). Utiliza la t´ecnica conocida como detec-
ci´on sensitiva de fase para una componente de la se˜nal que es especificada por una frecuencia de referencia. Por lo tanto, las se˜nales de ruido de otras frecuencias a la frecuencia de referencia son rechazadas y no afectan las mediciones.
Modulador Electro- ´Optico
El modulador electro-´optico (modelo: 350-80 E.O. Modulator, Conoptics) es del tipo transversal (el campo el´ectrico producido por la se˜nal de voltaje es orto- gonal a la direcci´on de propagaci´on del haz l´aser) y transmite m´as del 85 % de la luz incidente. Consta de la configuraci´on de cuatro cristales de KD∗P y el di´ametro de la apertura es de 3.5 mm. Este modulador puede ser utilizado para la modu- laci´on de amplitud, modulaci´on de fase o ambas. Esta dise˜nado para minimizar la birrefringencia natural neta. La longitud del camino del conjunto de cristales es de 80 mm. Este modulador va conectado a un amplificador diferencial lineal de alto voltaje dise˜nado para conducir una carga capacitiva. El amplificador est´a acopla- do en DC con un m´aximo de 750 Vp−p a la salida. En la entrada del amplificador
aceptar´a se˜nales de tipo unipolares o bipolares con una impedancia de 50 ohmios. Tambi´en se requiere en el input una se˜nal menor a 2 Vp−p.
Generador de funciones
Este dispositivo (modelo: CFG253, Tektronix) genera tres tipos de se˜nales provenientes del MAIN output connector : seno, cuadrada y triangular. Tiene un control para variar la frecuencia de la se˜nal en un rango de 0.3 Hz a 3 MHz. Tambi´en, se puede controlar la amplitud de la se˜nal con Volts out en un rango de 0 a 2 Vp−p. El bot´on DC offset pone en nivel de DC y polaridad de la se˜nal en el
MAIN output.
Fuente de Voltaje
La fuente de voltaje (modelo: 3303A, Topward) tiene solo un canal de alimen- taci´on DC con voltaje y corriente constante a la salida. El voltaje en la salida opera de 0 a 30 V y la corriente de 0 a 3 A.
Chopper
El chopper ´optico (modelo SR540) es usado para modular la intensidad de una se˜nal ´optica. El chopper cubre un rango de frecuencias de 4 Hz a 3.7 KHz. Si un haz ´optico es cortado por la fila exterior de las ranuras de la placa, se utiliza a la salida para bloquear el amplificador lock-in a una frecuencia de CHOP la referencia de la BNC derecha, f. Hay que tener en cuenta, que la fila interior de las ranuras se podr´ıa utilizar, en cuyo caso, se utiliza la referencia de la BNC izquierdo 5f.
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