[논문 리뷰] Hopping conduction in assemblies of hydrosilylated silicon nanocrystals

Ting Chen, Brian Skinner외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 27.

Silicon Nanostructures and PhotoluminescenceMaterials Science인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 알킬 리간드로 종료된 실리콘 나노결정(실리콘 나노결정, Si NC) 필름에서의 전자 이동도를 조사하며, 전도도가 희귀 기부체 불순자를 포함한 나노결정의 열적 이온화에 의해 지배됨을 밝혀냈다. 저전압에서는 이온화가 포울-프랭클 효과에 따라 일어나며, 이온화 에너지는 나노결정의 충전 에너지의 두 배이다. 고전압 및 저온 조건에서는 터널링을 통한 냉각 이온화(1 nm의 특성 길이 척도)가 지배적이며, 경박한 도핑된 나노결정 필름에서의 전자 이동도에 대한 종합적인 모델을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 알킬 리간드로 종료된 실리콘 나노결정 필름의 전자 이동도 메커니즘을 이해하기 위해.
• 다양한 온도 및 전기장 조건에서 지배적인 전도 메커니즘을 규명하기 위해.
• 개별 나노결정 내 기부체 불순자의 전도도 제한 역할을 규명하기 위해.
• 열적 이온화에서 전기장 보조 및 냉각 이온화 과정으로의 전이를 특성화하기 위해.
• 장치 최적화를 위한 경박한 도핑된 나노결정 필름에서의 전자 이동도에 대한 정량적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 알킬 리간드로 종료된 실리콘 나노결정 필름에서 온도 및 전기장 의존성 전도도 측정을 수행하였다.
• 전기장 의존성 이온화 에너지를 추출하기 위해 포울-프랭클 모델을 데이터 분석에 적용하였다.
• 전기장 및 온도에 따른 이온화 에너지 모델링을 통해 냉각 이온화로의 전이를 규명하였다.
• 온도 및 전기장에 따른 전도도의 관측된 척도를 바탕으로 전자 방출에 대한 효과적 터널링 길이를 유추하였다.
• 기부체 불순자 상태의 이온화 에너지를 나노결정 충전 에너지와 관련지어, 이온화 에너지가 충전 에너지의 두 배임을 가정하였다.
• 실험 데이터를 피팅하여 열적 이온화 및 전기장 보조 이온화 영역를 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 온도 및 전기장 조건에서 알킬 리간드로 종료된 실리콘 나노결정 필름에서 지배적인 전도 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 개별 나노결정 내 기부체 불순자 상태의 이온화 에너지는 적용된 전기장과 온도에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 나노결정 충전 에너지는 전자의 이온화 장벽을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 어떤 전기장 및 온도 조건에서 터널링을 통한 냉각 이온화가 유의미하게 나타나는가?
• RQ5 관측된 전도도 행동은 포울-프랭클 효과와 터널링 효과를 통합한 통합 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 필름의 전도도는 희귀 기부체 불순자를 포함한 나노결정의 이온화에 의해 제한된다.
• 저전압 조건에서는 이온화가 열적으로 활성화되며, 이온화 에너지는 나노결정 충전 에너지의 두 배이다.
• 높은 전기장 조건에서는 전기장 강화로 인해 이온화 에너지가 감소하며, 이는 포울-프랭클 효과와 일치한다.
• 큰 전압 및 저온 조건에서는 기부체를 포함한 나노결정에서 전자의 냉각 이온화가 관측되며, 특성 터널링 길이는 약 1 nm이다.
• 온도 및 전기장 의존성 전도도 측정 결과는 여러 영역에 걸친 전자 이동도의 종합적 그림을 드러낸다.
• 결과는 장치 응용을 위한 경박한 도핑된 나노결정 필름에서 전자 이동도를 이해하고 최적화하기 위한 정량적 프레임워크를 제공한다.