[論文レビュー] Hopping conduction in assemblies of hydrosilylated silicon nanocrystals

Ting Chen, Brian Skinner+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2014

Silicon Nanostructures and PhotoluminescenceMaterials Science被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、アルキルリガンド修飾シリコンナノクリスタル（Si NC）膜における電子輸送を調査し、導電性がレアドナー不純物を含むNCの熱的イオン化によって支配されることを明らかにした。低バイアスでは、イオン化エネルギーがNCの充電エネルギーの2倍であるポール＝フレンケル機構に従う。高バイアスおよび低温では、トンネル効果によるコールドイオン化（1 nmの特徴的長さ）が支配的となり、軽度にドーピングされたナノクリスタル膜における電子輸送を包括的に記述するモデルが得られた。

ABSTRACT

Silicon nanocrystals (Si NCs) have shown great promise for electroluminescent and photoluminescent applications. In order to optimize the properties of Si NC devices, however, electronic transport in Si NCs films needs to be thoroughly understood. Here we present a systematic study of the temperature and electric field dependence of conductivity in films of alkyl-ligand-terminated Si NCs, which to date have shown the highest potential for device applications. Our measurements suggest that the conductivity is limited by the ionization of rare NCs containing donor impurities. At low bias, this ionization is thermally activated, with an ionization energy equal to twice the NC charging energy. As the bias is increased, the ionization energy is reduced by the electric field, as determined by the Poole-Frenkel effect. At large bias and sufficiently low temperature, we observe cold ionization of electrons from donor-containing NCs, with a characteristic tunneling length of about 1 nm. The temperature- and electric-field-dependent conductance measurements presented here provide a systematic and comprehensive picture for electron transport in lightly doped nanocrystal films.

研究の動機と目的

• アルキルリガンド修飾シリコンナノクリスタル膜の電子輸送メカニズムを理解すること。これは、発光デバイスを含むオプトエレクトロニクスデバイスに有望である。
• さまざまな温度および電場条件下での主な伝導メカニズムを特定すること。
• 個々のナノクリスタルに存在するドナー不純物が導電性を制限する役割を特定すること。
• 熱的に駆動されるイオン化から電場補助およびコールドイオン化プロセスへの遷移を同定すること。
• デバイス最適化のための、軽度にドーピングされたナノクリスタル膜における電子輸送の定量的フレームワークを提供すること。

提案手法

• アルキルリガンド修飾シリコンナノクリスタル膜の温度および電場依存の導電度測定を実施する。
• データをポール＝フレンケルモデルで解析し、電場依存のイオン化エネルギーを抽出する。
• 電場および温度の関数としてのイオン化エネルギーをモデル化し、コールドイオン化への遷移を特定する。
• 導電度の温度および電場依存のスケーリングを用いて、電子放出の有効トンネル長を推定する。
• ドナー不純物状態のイオン化エネルギーを、ナノクリスタルの充電エネルギーと関連づけ、それがイオン化エネルギーの2倍であると仮定する。
• 実験データをフィッティングすることで、熱的に駆動される伝導と電場補助伝導の領域を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまな温度および電場条件下で、アルキルリガンド修飾シリコンナノクリスタル膜における主な伝導メカニズムは何か？
• RQ2 個々のナノクリスタルに存在するドナー不純物状態のイオン化エネルギーは、印加電場および温度にどのように依存するか？
• RQ3 ナノクリスタルの充電エネルギーが電子のイオン化障壁を決定づける役割は何か？
• RQ4 どの電場および温度条件下で、トンネル効果によるコールドイオン化が顕著になるか？
• RQ5 観察された導電度の挙動は、ポール＝フレンケル効果とトンネル効果を統合した統一モデルで説明可能か？

主な発見

• 膜の導電性は、ドナー不純物を含むレアナノクリスタルのイオン化によって制限されている。
• 低バイアスでは、イオン化エネルギーがナノクリスタルの充電エネルギーの2倍である熱的駆動イオン化が支配的である。
• 高い電場が印加されると、電場強化によりイオン化エネルギーが低下し、ポール＝フレンケル効果に一致する。
• 大きなバイアスおよび低温条件下では、ドナーを含むナノクリスタルからの電子のコールドイオン化が観察され、特徴的トンネル長は約1 nmである。
• 温度および電場依存の電導度測定の組み合わせにより、複数の伝導領域にわたる電子輸送の包括的画像が得られた。
• 本研究の結果は、デバイス応用のための、軽度にドーピングされたナノクリスタル膜における電子輸送の理解および最適化のための定量的フレームワークを提供する。