Observação de éxciton ressonante e plasmon correlacionado produzindo plexciton correlacionado em silício amorfo com vários teores de hidrogênio

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21497 (2022) Citar este artigo

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O silício amorfo hidrogenado (a-Si: H) recebeu grande atenção por sua rica física fundamental e células solares potencialmente baratas. Aqui, observamos novos excitons ressonantes e plasmons correlacionados sintonizáveis via conteúdo de hidrogênio em filmes a-Si:H sobre substrato de óxido de índio e estanho (ITO). A elipsometria espectroscópica suportada com Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução (HR-TEM) é usada para sondar propriedades ópticas e a densidade de estados eletrônicos em várias cristalinidades, desde cristais de tamanho nano até filmes a-Si:H amorfos. As estruturas ópticas e eletrônicas observadas são analisadas pela segunda derivada com formas analíticas de linhas de ponto crítico. A função dielétrica complexa mostra boa concordância com cálculos microscópicos para a mudança de energia e as transições inter-bandas ampliadas com base na interação elétron-buraco. Curiosamente, observamos uma transferência de peso espectral incomum em uma ampla faixa de energia, revelando correlações eletrônicas que causam uma mudança drástica na densidade de portadores de carga e determinam o desempenho fotovoltaico. Além disso, a interação de excitons ressonantes e plasmons correlacionados é discutida em termos de um plexciton correlacionado. Nosso resultado mostra o importante papel do hidrogênio na determinação do acoplamento de excitons e plasmons no filme a-Si:H para dispositivos fotovoltaicos.

O silício amorfo hidrogenado (a-Si: H) emergiu recentemente como um material favorito para fazer dispositivos optoeletrônicos baseados em filme fino de grande área, como células solares de filme fino1, detectores de radiação2, sensores de imagem3, transistores de filme fino4, dispositivos de memória5 e microcanal placas em substrato rígido6 e flexível7. Além de ser barato, ecologicamente correto e não tóxico, esse tipo de material é importante porque pode ser dopado do tipo n e do tipo p8,9,10 e a estrutura da junção homo p–i–n foi realizada sem a banda descontinuidade do gap na interface11,12,13. Numerosos estudos mostraram a presença de ligações Si-Si fracas, ligações Si-H2 e cavidades que alteram as propriedades optoeletrônicas a-Si:H14,15,16,17.

As interações elétron-buraco, conhecidas como éxciton, desempenham um papel importante em semicondutores e dispositivos fotovoltaicos18,19,20. Uma diluição de hidrogênio da mistura de gás de processo de silano e hidrogênio tem sido usada para melhorar a estabilidade de materiais e dispositivos a-Si:H21. Resultados recentes sugerem que um aumento significativo na estabilidade da célula a-Si:H ocorre quando a camada intrínseca é criada a partir de uma mistura gasosa diluída com hidrogênio22,23,24. Embora o teor de hidrogênio desse material seja semelhante ao das ligas feitas com baixa diluição de hidrogênio, a efusão do hidrogênio desse filme ocorre em uma temperatura bem menor25,26. Além disso, na presença de excitação eletrônica ou estimulação térmica, a pequena massa e tamanho dos átomos de hidrogênio permitem que eles migrem facilmente dentro da relativamente rígida matriz de Si, resultando em alguma evolução estrutural metaestável conhecida como Staebler Wronski Effect (SWE)27. No entanto, o papel do hidrogênio nas propriedades eletrônicas e ópticas em a-Si:H permanece inexplorado.

Aqui, apresentamos uma nova abordagem para gerar estruturas amorfas de silício a partir de SiH4 com diluição de hidrogênio pela técnica RF-PECVD e revelamos a evolução detalhada da estrutura eletrônica na criação do acoplamento exciton e plasmon e sua relação com o desempenho de dispositivos fotovoltaicos. Obtemos um modelo físico preciso da resposta óptica e das estruturas de a-Si:H usando a elipsometria espectroscópica.

A camada fina a-Si: H é intrinsecamente depositada em vidro Corning 1737 e substratos ITO empregando a técnica RF-PECVD, (MVSystem Inc. EUA) em cargas espaciais UHV baseadas em chave com uma área de eletrodo chave de 19,62 cm2 e eletrodo de 4 cm separação. O tempo total de deposição para cada filme é mantido constante por 30 min. Os parâmetros de deposição para a diluição do hidrogênio SiH4/H2 são 0, 16 e 36 usando potência de RF de 10 W, temperatura do substrato de 270 °C e pressão de processo (PP) de 2000 mTorr, conforme apresentado na Tabela 1. O R A deposição do filme -0 (sem diluição de hidrogênio) é realizada durante a precipitação, enquanto os filmes R-16 e R-36 são depositados com diluição de hidrogênio em 30 min. O microscópio de força atômica (Agilent 5500) é usado para estudar a morfologia da superfície e rugosidade dos filmes. A escuridão e a fotocondutividade dos filmes são medidas sob vácuo (∼ 10−5 mbar) em geometria coplanar, na faixa de temperatura de 300–475 K, para estimar a energia de ativação.

and <ε2> are extracted using a least-squares regression analysis30 and an unweighted root-mean-square error function by fitting the experimental spectra with Woollam Complete Ease software. The parameters corresponding to the surface roughness of the R-0, R-16, and R-36 samples and the parameter of the respective dielectric functions are evaluated by a combination of the Tauc-Lorentz (TL)/Tauc-Lorentz + G model to determine thickness, band gap and optical constants of the films./p>

from Ex−1 = 3.34 eV and Ex−2 = 3.82 eV with a magnitude of energy shift of 0.48 eV, so that the quantum confinement effect occurs with the transmission changing from high energy, crossing zero to lower energy32. Furthermore, it is important that there is spectral weight transfer at <ε2> of the R-0 film, but is unseen in one of c-Si. It turns out that the peak in <ε2> of the c-Si film occurs at high energy, namely at E1 = 5.34 eV. There is a transfer of spectral to lower energy at E0 of 3.32 eV, which causes a spectral weight transfer of 3 eV, which is a signature of electronic correlation. Figure 1c depicts the <ε2> curve of the R-16 film, showing not only the quantum confinement effect, but also the dramatic effect of hydrogen. It is seen that both exciton peaks shift to each other and collap to be one exciton. When more hydrogen is added, as the R-36 film in Fig. 1d, there is another shift of 0.84 eV in the <ε2> curve between Ex−1 = 3.52 eV and Ex−2 = 4.36 eV. It leads to a rechanging exciton feature, which is somewhat the same as that of the c-Si film. This means that the hydrogen dilution has taken an important role in tunning the electronic structure of the deposited a-Si film./p> (a) c-Si, (b) R-0, (c) R-16, and (d) R-36./p> of the complex dielectric function, loss function, and reflectivity of c-Si, R-0, R-16, and R-36 films. The value of <ε1> changes dramatically from positive to negative, showing different type of plasmons (Fig. 2a–d) as further discussed later. The <ε1> reaches a minimum with a positive value at about ~ 4.45 eV. For all films, <ε2> exhibits a peak at ~ 3.34 eV and the rise is a characteristic of silicon, featuring a resonant exciton. Resonant excitonic effects are typically occurred above the optical band gaps due to strong electron–hole and electron–electron interactions and have been observed in graphene33,34,35,36,37,38. The substrate also has non-reflective characteristics at ~ 1.00 eV but exhibits non-zero reflectivity at ~ 4.00 eV in Fig. 2e–h. When the a-Si: H film is deposited on the substrate, the reflectivity approaches zero and shows a depth at ~ 4.00 eV, shifting slightly with the addition of hydrogen. The minimum reflectivity at ~ 4.00 eV is a sign of plasmon./p> of the dielectric function, (e–h) reflectivity, and (i–l) loss function (E0: conventional plasmon, E1: correlated plasmons) c-Si, R-0, R-16, and R-36./p>, we identify two different types of plasmons. For the former where <ε1> is positive, it is unconventional, correlated plasmons29. For the later, where <ε1> is negative, it is conventional plasmons. The loss function curve does corroborate that the plasmon appears in the film39, characterized by a peak at ~ 3.50 eV in Fig. 2i–l. The peaks show the red and blue shifts of ~ 0.74 eV respectively for the R-0 and R-36 films, which are consistent with the deep reflectivity. Another peak is also observed at 5.20 eV, implying that the plasmon is coupling with the exciton at this photon energy./p>, <ε2>, and loss function in the spectral regions where structures are observed (points). The solid and dotted lines represent the best fits to standard critical-point line shapes, derived from: \(\frac{{d}^{2}\varepsilon }{{d\omega }^{2}}=\left\{\begin{array}{*{20}l}n\left(n-1\right)A{e}^{i\Phi }(\omega -E+i\Gamma {)}^{n-2}, n\ne 0\\ A{e}^{i\phi }(\omega -E+i\Gamma {)}^{-2}, n=0\end{array}\right.\). The fit is performed simultaneously for the real and imaginary parts of d2ε/dω2 using a least-squares procedure48,49. If the angle Ф in the phase factor \({e}^{i\Phi }\) take values, which are integer multiples of π/2, the line shape corresponds to transitions between uncorrelated one-electron bands while noninteger multiples are usually believed to include excitonic effects by allowing a mixture of two CP integer multiple line shapes./p>

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