Фотопроводимость

Фотопроводимость — это оптическое и электрическое явление , при котором материал становится более электропроводным из -за поглощения электромагнитного излучения, такого как видимый свет , ультрафиолетовый свет, инфракрасный свет или гамма-излучение . ^[1]

Когда свет поглощается таким материалом, как полупроводник , количество свободных электронов и дырок увеличивается, что приводит к увеличению электропроводности. ^[2] Чтобы вызвать возбуждение, свет, падающий на полупроводник, должен иметь достаточную энергию, чтобы поднять электроны через запрещенную зону или возбудить примеси внутри запрещенной зоны. Когда смещения напряжение и нагрузочный резистор используются последовательно с полупроводником, падение напряжения на нагрузочных резисторах можно измерить, когда изменение электропроводности материала изменяет ток в цепи.

Классические примеры фотопроводящих материалов включают:

фотопленки : Kodachrome , Fujifilm , Agfachrome , Ilford и др . на основе сульфида и бромида серебра . ^[3]
проводящий полимер поливинилкарбазол , ^[4] широко используется в фотокопировании ( ксерографии );
сульфид свинца , используемый в приложениях инфракрасного обнаружения, таких как американские ракеты «Сайдвиндер» и советские (теперь российские) «Атолл» ; ракеты с тепловым наведением
селен , ^[5] работал на раннем телевидении и в ксерографии.

К молекулярным фотопроводникам относятся органические, ^[6] неорганический, ^[7] и – реже – координационные соединения. ^[8]^[9]

Приложения

Когда фотопроводящий материал подключается как часть цепи, он действует как резистор которого , сопротивление зависит от интенсивности света . В этом контексте материал называется фоторезистором ( также называемым светозависимым резистором или фотопроводником ). Наиболее распространенное применение фоторезисторов — в качестве фотодетекторов , то есть устройств, измеряющих интенсивность света. Фоторезисторы — не единственный тип фотодетекторов (к другим типам относятся устройства с зарядовой связью (ПЗС), фотодиоды и фототранзисторы ), но они являются одними из наиболее распространенных. Некоторые приложения фотодетекторов, в которых часто используются фоторезисторы, включают фотометры для фотокамер, уличные фонари, радиочасы, инфракрасные детекторы , нанофотонные системы и низкоразмерные фотодатчики. ^[10]

Сенсибилизация

Сенсибилизация — важная инженерная процедура, направленная на усиление реакции фотопроводящих материалов. ^[3] Прирост фотопроводимости пропорционален времени жизни фотовозбужденных носителей (электронов или дырок). Сенсибилизация включает преднамеренное легирование примесями, которое насыщает собственные центры рекомбинации с коротким характерным временем жизни и заменяет эти центры новыми центрами рекомбинации, имеющими более длительное время жизни. Эта процедура при правильном выполнении приводит к увеличению коэффициента усиления фотопроводимости на несколько порядков и используется при производстве коммерческих фотопроводящих устройств. Текст Альберта Роуза является справочным материалом для повышения осведомленности. ^[11]

Отрицательная фотопроводимость

Некоторые материалы демонстрируют ухудшение фотопроводимости под воздействием освещения. ^[12] Одним из ярких примеров является гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H), в котором наблюдается метастабильное снижение фотопроводимости. ^[13] (см. эффект Штеблера-Вронского ). Другие материалы, которые, как сообщается, обладают отрицательной фотопроводимостью, включают нанопроволоки ZnO , ^[14] дисульфид молибдена , ^[15] графен , ^[16] арсенида индия нанопроволоки , ^[17] декорированные углеродные нанотрубки, ^[18] и наночастицы металлов . ^[19]

Под приложенным переменным напряжением и УФ-облучением ZnO нанопроволоки демонстрируют непрерывный переход от положительной к отрицательной фотопроводимости в зависимости от частоты переменного тока. ^[14] Нанопроволоки ZnO также демонстрируют частотно-управляемый переход металл-изолятор при комнатной температуре. Ответственный механизм обоих переходов объясняется конкуренцией между объемной проводимостью и поверхностной проводимостью. ^[14] Ожидается, что частотно-управляемый переход проводимости из объема в поверхность будет характерным признаком полупроводниковых наноструктур с большим отношением поверхности к объему .

Магнитная фотопроводимость

В 2016 году было продемонстрировано, что в некоторых фотопроводящих материалах может существовать магнитный порядок. ^[20] Одним из ярких примеров является CH ₃ NH ₃ (Mn:Pb)I ₃ . В этом материале также было продемонстрировано светоиндуцированное намагниченное плавление. ^[20] таким образом, его можно использовать в магнитооптических устройствах и хранилищах данных.

Спектроскопия фотопроводимости

Метод определения характеристик, называемый спектроскопией фотопроводимости (также известный как спектроскопия фототока ), широко используется при изучении оптоэлектронных свойств полупроводников. ^[21]^[22]

См. также

Ссылки

^ ДеВерд, Луизиана; П.Р. Моран (1978). «Твердотельная электрофотография с Al ₂ O ₃ ». Медицинская физика . 5 (1): 23–26. Бибкод : 1978МедФ...5...23Д . дои : 10.1118/1.594505 . ПМИД 634229 .
^ Сагаи, Джабер; Фаллахзаде, Али; Сагаи, Тайебе (июнь 2016 г.). «Обработка паром как новый метод усиления фототока УФ-фотодетекторов на основе наностержней ZnO». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 247 : 150–155. дои : 10.1016/j.sna.2016.05.050 .
^ Jump up to: ^а ^б Пирсолл, Томас (2010). Основы фотоники, 2-е издание . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-162935-5 .
^ Закон, Кок Йи (1993). «Органические фотопроводящие материалы: последние тенденции и разработки». Химические обзоры . 93 : 449–486. дои : 10.1021/cr00017a020 .
^ Белев Г.; Касап, С.О. (15 октября 2004 г.). «Аморфный селен как рентгеновский фотопроводник» . Журнал некристаллических твердых тел . Физика некристаллических твердых тел 10. 345–346: 484–488. Бибкод : 2004JNCS..345..484B . doi : 10.1016/j.jnoncrysol.2004.08.070 . ISSN 0022-3093 .
^ Вайс, Дэвид С.; Абковиц, Мартин (13 января 2010 г.). «Достижения в области технологии органических фотопроводников» . Химические обзоры . 110 (1): 479–526. дои : 10.1021/cr900173r . ISSN 0009-2665 . ПМИД 19848380 .
^ Цай, Вэньси; Ли, Хайюнь; Ли, Мэнчао; Ван, Мэн; Ван, Хуасинь; Чен, Цзянчжао; Занг, Чжиган (13 мая 2021 г.). «Возможности и проблемы неорганических перовскитов в высокопроизводительных фотодетекторах» . Журнал физики D: Прикладная физика . 54 (29): 293002. Бибкод : 2021JPhD...54C3002C . дои : 10.1088/1361-6463/abf709 . ISSN 0022-3727 . S2CID 234883317 .
^ Арагони, М. Карла; Арка, Массимилиано; Девиланова, Франческо А.; Исайя, Фрэнсис; Липполис, Вито; Манчини, Анналиса; Пала, Лука; Верани, Гаэтано; Агостинелли, Тициан; Кайрони, Марио; Натали, Дарио (01 февраля 2007 г.). «Первый пример фотодетектора ближнего ИК-диапазона на основе нейтральных металлокомплексов [M(R-dmet)2]-бис(1,2-дитиолен)» . Неорганическая химия . 10 (2): 191–194. дои : 10.1016/j.inoche.2006.10.019 . ISSN 1387-7003 .
^ Пинтус, Анна; Амбросио, Люсия; Арагони, М. Карла; Бинда, Маддалена; Коулз, Саймон Дж.; Херстхаус, Майкл Б.; Исайя, Франческо; Липполис, Вито; Мелони, Джаммарко; Натали, Дарио; Ортон, Джеймс Б. (04 мая 2020 г.). «Фотопроводящие устройства с откликом в видимой – ближней инфракрасной области на основе нейтральных Ni-комплексов арил-1,2-дитиоленовых лигандов» . Неорганическая химия . 59 (9): 6410–6421. doi : 10.1021/acs.inorgchem.0c00491 . hdl : 11311/1146329 . ISSN 0020-1669 . ПМИД 32302124 . S2CID 215809603 .
^ Эрнандес-Акоста, Массачусетс; Трехо-Вальдес, М; Кастро-Чакон, Дж. Х.; Торрес-Сан-Мигель, ЧР; Мартинес-Гутьеррес, Х; Торрес-Торрес, Ц (23 февраля 2018 г.). «Хаотические характеристики фотопроводящих наноструктур Cu ZnSnS, исследованных аттракторами Лоренца» . Новый журнал физики . 20 (2): 023048. Бибкод : 2018NJPh...20b3048H . дои : 10.1088/1367-2630/aaad41 .
^ Роуз, Альберт (1963). Фотопроводимость и смежные проблемы . Межнаучные трактаты по физике и астрономии. Уайли Интерсайенс. ISBN 0-88275-568-4 .
^ Н. В. Джоши (25 мая 1990 г.). Фотопроводимость: Искусство: Наука и технологии . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8247-8321-1 .
^ Стейблер, Д.Л.; Вронский, ЧР (1977). «Обратимые изменения проводимости в аморфном кремнии, полученном в результате разряда». Письма по прикладной физике . 31 (4): 292. Бибкод : 1977ApPhL..31..292S . дои : 10.1063/1.89674 . ISSN 0003-6951 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Джавади, Мохаммед; Абди, Ясер (30 июля 2018 г.). «Частотный переход проводимости из объема в поверхность в нанопроволоках ZnO» . Письма по прикладной физике . 113 (5): 051603. дои : 10.1063/1.5039474 . ISSN 0003-6951 .
^ Серпи, А. (1992). «Отрицательная фотопроводимость в MoS2». Физический статус Солиди А. 133 (2): К73–К77. Бибкод : 1992ПССАР.133...73С . дои : 10.1002/pssa.2211330248 . ISSN 0031-8965 .
^ Хейман, Дж. Н.; Штейн, доктор медицинских наук; Каминский, З.С.; Банман, Арканзас; Массари, AM; Робинсон, Джей Ти (2015). «Нагрев носителей и отрицательная фотопроводимость в графене». Журнал прикладной физики . 117 (1): 015101. arXiv : 1410.7495 . Бибкод : 2015JAP...117a5101H . дои : 10.1063/1.4905192 . ISSN 0021-8979 . S2CID 118531249 .
^ Александр-Уэббер, Джек А.; Грошнер, Кэтрин К.; Сагаде, Абхай А.; Тейнтер, Грегори; Гонсалес-Сальба, М. Фернандо; Ди Пьетро, Риккардо; Вонг-Люнг, Дженнифер; Тан, Х. Хо; Джагадиш, Ченнупати (11 декабря 2017 г.). «Разработка фотоответа нанопроводов InAs» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (50): 43993–44000. дои : 10.1021/acsami.7b14415 . hdl : 1885/237356 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 29171260 .
^ Хименес-Марин, Э.; Вильяльпандо, И.; Трехо-Вальдес, М.; Сервантес-Соди, Ф.; Варгас-Гарсия-младший; Торрес-Торрес, К. (01 июня 2017 г.). «Сосуществование положительной и отрицательной фотопроводимости в многостенных углеродных нанотрубках, декорированных оксидом никеля» . Материаловедение и инженерия: Б . 220 : 22–29. дои : 10.1016/j.mseb.2017.03.004 . ISSN 0921-5107 .
^ Наканиси, Хидеюки; Бишоп, Кайл Дж. М.; Ковальчик, Бартломей; Ницан, Авраам; Вайс, Эмили А.; Третьяков Константин Владимирович; Аподака, Марио М.; Клайн, Рафаль; Стоддарт, Дж. Фрейзер; Гжибовский, Бартош А. (2009). «Фотопроводимость и обратная фотопроводимость в пленках функционализированных металлических наночастиц». Природа . 460 (7253): 371–375. Бибкод : 2009Natur.460..371N . дои : 10.1038/nature08131 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 19606145 . S2CID 4425298 .
^ Jump up to: ^а ^б Нафради, Балинт (24 ноября 2016 г.). «Оптически переключаемый магнетизм в фотоэлектрическом перовските CH3NH3(Mn:Pb)I3» . Природные коммуникации . 7 (13406): 13406. arXiv : 1611.08205 . Бибкод : 2016NatCo...713406N . дои : 10.1038/ncomms13406 . ПМК 5123013 . ПМИД 27882917 .
^ «Определение RSC — спектроскопия фототока» . РСК . Проверено 19 июля 2020 г.
^ Ламберти, Карло; Агостини, Джованни (2013). «15.3 – Фототоковая спектроскопия». Характеристика полупроводниковых гетероструктур и наноструктур (2-е изд.). Италия: Эльзевир. стр. 652–655. дои : 10.1016/B978-0-444-59551-5.00001-7 . ISBN 978-0-444-59551-5 .

[radio_conductivity-1] ДеВерд, Луизиана; П.Р. Моран (1978). «Твердотельная электрофотография с Al ₂ O ₃ ». Медицинская физика . 5 (1): 23–26. Бибкод : 1978МедФ...5...23Д . дои : 10.1118/1.594505 . ПМИД 634229 .

[2] Сагаи, Джабер; Фаллахзаде, Али; Сагаи, Тайебе (июнь 2016 г.). «Обработка паром как новый метод усиления фототока УФ-фотодетекторов на основе наностержней ZnO». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 247 : 150–155. дои : 10.1016/j.sna.2016.05.050 .

[pears1-3] Jump up to: ^а ^б Пирсолл, Томас (2010). Основы фотоники, 2-е издание . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-162935-5 .

[OrganicPhotoconductors-4] Закон, Кок Йи (1993). «Органические фотопроводящие материалы: последние тенденции и разработки». Химические обзоры . 93 : 449–486. дои : 10.1021/cr00017a020 .

[5] Белев Г.; Касап, С.О. (15 октября 2004 г.). «Аморфный селен как рентгеновский фотопроводник» . Журнал некристаллических твердых тел . Физика некристаллических твердых тел 10. 345–346: 484–488. Бибкод : 2004JNCS..345..484B . doi : 10.1016/j.jnoncrysol.2004.08.070 . ISSN 0022-3093 .

[6] Вайс, Дэвид С.; Абковиц, Мартин (13 января 2010 г.). «Достижения в области технологии органических фотопроводников» . Химические обзоры . 110 (1): 479–526. дои : 10.1021/cr900173r . ISSN 0009-2665 . ПМИД 19848380 .

[7] Цай, Вэньси; Ли, Хайюнь; Ли, Мэнчао; Ван, Мэн; Ван, Хуасинь; Чен, Цзянчжао; Занг, Чжиган (13 мая 2021 г.). «Возможности и проблемы неорганических перовскитов в высокопроизводительных фотодетекторах» . Журнал физики D: Прикладная физика . 54 (29): 293002. Бибкод : 2021JPhD...54C3002C . дои : 10.1088/1361-6463/abf709 . ISSN 0022-3727 . S2CID 234883317 .

[8] Арагони, М. Карла; Арка, Массимилиано; Девиланова, Франческо А.; Исайя, Фрэнсис; Липполис, Вито; Манчини, Анналиса; Пала, Лука; Верани, Гаэтано; Агостинелли, Тициан; Кайрони, Марио; Натали, Дарио (01 февраля 2007 г.). «Первый пример фотодетектора ближнего ИК-диапазона на основе нейтральных металлокомплексов [M(R-dmet)2]-бис(1,2-дитиолен)» . Неорганическая химия . 10 (2): 191–194. дои : 10.1016/j.inoche.2006.10.019 . ISSN 1387-7003 .

[9] Пинтус, Анна; Амбросио, Люсия; Арагони, М. Карла; Бинда, Маддалена; Коулз, Саймон Дж.; Херстхаус, Майкл Б.; Исайя, Франческо; Липполис, Вито; Мелони, Джаммарко; Натали, Дарио; Ортон, Джеймс Б. (04 мая 2020 г.). «Фотопроводящие устройства с откликом в видимой – ближней инфракрасной области на основе нейтральных Ni-комплексов арил-1,2-дитиоленовых лигандов» . Неорганическая химия . 59 (9): 6410–6421. doi : 10.1021/acs.inorgchem.0c00491 . hdl : 11311/1146329 . ISSN 0020-1669 . ПМИД 32302124 . S2CID 215809603 .

[10] Эрнандес-Акоста, Массачусетс; Трехо-Вальдес, М; Кастро-Чакон, Дж. Х.; Торрес-Сан-Мигель, ЧР; Мартинес-Гутьеррес, Х; Торрес-Торрес, Ц (23 февраля 2018 г.). «Хаотические характеристики фотопроводящих наноструктур Cu ZnSnS, исследованных аттракторами Лоренца» . Новый журнал физики . 20 (2): 023048. Бибкод : 2018NJPh...20b3048H . дои : 10.1088/1367-2630/aaad41 .

[rose1-11] Роуз, Альберт (1963). Фотопроводимость и смежные проблемы . Межнаучные трактаты по физике и астрономии. Уайли Интерсайенс. ISBN 0-88275-568-4 .

[Joshi1990-12] Н. В. Джоши (25 мая 1990 г.). Фотопроводимость: Искусство: Наука и технологии . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8247-8321-1 .

[StaeblerWronski1977-13] Стейблер, Д.Л.; Вронский, ЧР (1977). «Обратимые изменения проводимости в аморфном кремнии, полученном в результате разряда». Письма по прикладной физике . 31 (4): 292. Бибкод : 1977ApPhL..31..292S . дои : 10.1063/1.89674 . ISSN 0003-6951 .

[:0-14] Jump up to: ^а ^б ^с Джавади, Мохаммед; Абди, Ясер (30 июля 2018 г.). «Частотный переход проводимости из объема в поверхность в нанопроволоках ZnO» . Письма по прикладной физике . 113 (5): 051603. дои : 10.1063/1.5039474 . ISSN 0003-6951 .

[Serpi1992-15] Серпи, А. (1992). «Отрицательная фотопроводимость в MoS2». Физический статус Солиди А. 133 (2): К73–К77. Бибкод : 1992ПССАР.133...73С . дои : 10.1002/pssa.2211330248 . ISSN 0031-8965 .

[HeymanStein2015-16] Хейман, Дж. Н.; Штейн, доктор медицинских наук; Каминский, З.С.; Банман, Арканзас; Массари, AM; Робинсон, Джей Ти (2015). «Нагрев носителей и отрицательная фотопроводимость в графене». Журнал прикладной физики . 117 (1): 015101. arXiv : 1410.7495 . Бибкод : 2015JAP...117a5101H . дои : 10.1063/1.4905192 . ISSN 0021-8979 . S2CID 118531249 .

[17] Александр-Уэббер, Джек А.; Грошнер, Кэтрин К.; Сагаде, Абхай А.; Тейнтер, Грегори; Гонсалес-Сальба, М. Фернандо; Ди Пьетро, Риккардо; Вонг-Люнг, Дженнифер; Тан, Х. Хо; Джагадиш, Ченнупати (11 декабря 2017 г.). «Разработка фотоответа нанопроводов InAs» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (50): 43993–44000. дои : 10.1021/acsami.7b14415 . hdl : 1885/237356 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 29171260 .

[18] Хименес-Марин, Э.; Вильяльпандо, И.; Трехо-Вальдес, М.; Сервантес-Соди, Ф.; Варгас-Гарсия-младший; Торрес-Торрес, К. (01 июня 2017 г.). «Сосуществование положительной и отрицательной фотопроводимости в многостенных углеродных нанотрубках, декорированных оксидом никеля» . Материаловедение и инженерия: Б . 220 : 22–29. дои : 10.1016/j.mseb.2017.03.004 . ISSN 0921-5107 .

[NakanishiBishop2009-19] Наканиси, Хидеюки; Бишоп, Кайл Дж. М.; Ковальчик, Бартломей; Ницан, Авраам; Вайс, Эмили А.; Третьяков Константин Владимирович; Аподака, Марио М.; Клайн, Рафаль; Стоддарт, Дж. Фрейзер; Гжибовский, Бартош А. (2009). «Фотопроводимость и обратная фотопроводимость в пленках функционализированных металлических наночастиц». Природа . 460 (7253): 371–375. Бибкод : 2009Natur.460..371N . дои : 10.1038/nature08131 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 19606145 . S2CID 4425298 .

[Náfrádi_2016-20] Jump up to: ^а ^б Нафради, Балинт (24 ноября 2016 г.). «Оптически переключаемый магнетизм в фотоэлектрическом перовските CH3NH3(Mn:Pb)I3» . Природные коммуникации . 7 (13406): 13406. arXiv : 1611.08205 . Бибкод : 2016NatCo...713406N . дои : 10.1038/ncomms13406 . ПМК 5123013 . ПМИД 27882917 .

[21] «Определение RSC — спектроскопия фототока» . РСК . Проверено 19 июля 2020 г.

[22] Ламберти, Карло; Агостини, Джованни (2013). «15.3 – Фототоковая спектроскопия». Характеристика полупроводниковых гетероструктур и наноструктур (2-е изд.). Италия: Эльзевир. стр. 652–655. дои : 10.1016/B978-0-444-59551-5.00001-7 . ISBN 978-0-444-59551-5 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]