Beobachtung resonanter Exzitonen und korrelierter Plasmonen, die korrelierte Plexzitonen in amorphem Silizium mit unterschiedlichem Wasserstoffgehalt ergeben

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21497 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Hydriertes amorphes Silizium (a-Si: H) hat aufgrund seiner reichen Grundlagenphysik und potenziell kostengünstigen Solarzellen große Aufmerksamkeit erhalten. Hier beobachten wir neue resonante Exzitonen und korrelierte Plasmonen, die über den Wasserstoffgehalt in a-Si:H-Filmen auf Indiumzinnoxid (ITO)-Substrat abstimmbar sind. Spektroskopische Ellipsometrie, unterstützt durch hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM), wird verwendet, um optische Eigenschaften und die Dichte elektronischer Zustände in den verschiedenen Kristallinitäten von Kristallen in Nanogröße bis hin zu amorphen a-Si: H-Filmen zu untersuchen. Die beobachteten optischen und elektronischen Strukturen werden durch die zweite Ableitung mit analytischen Linienformen kritischer Punkte analysiert. Die komplexe dielektrische Funktion zeigt eine gute Übereinstimmung mit mikroskopischen Berechnungen für die Energieverschiebung und die sich verbreiternden Interbandübergänge basierend auf der Elektron-Loch-Wechselwirkung. Interessanterweise beobachten wir einen ungewöhnlichen spektralen Gewichtstransfer über einen breiten Energiebereich, der elektronische Korrelationen aufdeckt, die eine drastische Änderung der Ladungsträgerdichte verursachen und die photovoltaische Leistung bestimmen. Darüber hinaus wird das Zusammenspiel resonanter Exzitonen und korrelierter Plasmonen im Sinne eines korrelierten Plexzitons diskutiert. Unser Ergebnis zeigt die wichtige Rolle von Wasserstoff bei der Bestimmung der Kopplung von Exzitonen und Plasmonen in a-Si:H-Filmen für Photovoltaikgeräte.

Hydriertes amorphes Silizium (a-Si: H) hat sich in letzter Zeit als beliebtes Material für die Herstellung großflächiger optoelektronischer Geräte auf Dünnschichtbasis wie Dünnschichtsolarzellen1, Strahlungsdetektoren2, Bildsensoren3, Dünnschichttransistoren4, Speichergeräte5 und Mikrokanäle herausgestellt Platten auf starrem6 und flexiblem Substrat7. Diese Art von Material ist nicht nur kostengünstig, umweltfreundlich und ungiftig, sondern auch deshalb wichtig, weil es n- und p-dotiert werden kann8,9,10 und die p-i-n-Homoübergangsstruktur ohne Band realisiert wurde Lückendiskontinuität an der Schnittstelle11,12,13. Zahlreiche Studien haben das Vorhandensein schwacher Si-Si-Bindungen, Si-H2-Bindungen und Hohlräume gezeigt, die die optoelektronischen Eigenschaften von a-Si: H verändern14,15,16,17.

Elektron-Loch-Wechselwirkungen, sogenannte Exzitonen, spielen eine wichtige Rolle in Halbleiter- und Photovoltaikgeräten18,19,20. Eine Verdünnung von Wasserstoff aus dem Prozessgasgemisch aus Silan und Wasserstoff wurde verwendet, um die Stabilität von a-Si:H-Materialien und -Geräten zu verbessern21. Jüngste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Stabilität einer a-Si:H-Zelle deutlich zunimmt, wenn die intrinsische Schicht aus einem mit Wasserstoff verdünnten Gasgemisch erzeugt wird22,23,24. Während der Wasserstoffgehalt dieses Materials dem von Legierungen ähnelt, die mit geringer Wasserstoffverdünnung hergestellt wurden, erfolgt die Effusion von Wasserstoff aus diesem Film bei einer viel niedrigeren Temperatur25,26. Darüber hinaus ermöglichen die geringe Masse und Größe der Wasserstoffatome bei Anwesenheit von Elektronenanregung oder thermischer Stimulation eine einfache Wanderung innerhalb der relativ starren Si-Matrix, was zu einer metastabilen Strukturentwicklung führt, die als Staebler-Wronski-Effekt (SWE)27 bekannt ist. Die Rolle von Wasserstoff auf die elektronischen und optischen Eigenschaften in a-Si:H bleibt jedoch unerforscht.

Hier präsentieren wir einen neuartigen Ansatz zur Erzeugung amorpher Siliziumstrukturen aus SiH4 mit Wasserstoffverdünnung durch die RF-PECVD-Technik und zeigen die detaillierte Entwicklung der elektronischen Struktur bei der Erzeugung von Exzitonen- und Plasmonenkopplung und deren Beziehung zur Leistung von Photovoltaikgeräten. Mithilfe der spektroskopischen Ellipsometrie erhalten wir ein genaues physikalisches Modell der optischen Reaktion und Strukturen von a-Si:H.

Die a-Si:H-Dünnschicht wird unter Verwendung der RF-PECVD-Technik (MVSystem Inc. USA) in schlüsselbasierten UHV-Raumlasten mit einer Schlüsselelektrodenfläche von 19,62 cm2 und einer 4 cm großen Elektrode intrinsisch auf Corning 1737-Glas- und ITO-Substraten abgeschieden Trennung. Die Gesamtabscheidungszeit für jeden Film wird 30 Minuten lang konstant gehalten. Die Abscheidungsparameter für die Verdünnung von Wasserstoff SiH4/H2 sind 0, 16 und 36 bei Verwendung einer HF-Leistung von 10 W, einer Substrattemperatur von 270 °C und einem Prozessdruck (PP) von 2000 mTorr, wie in Tabelle 1 dargestellt. Der R Die Abscheidung des -0-Films (ohne Wasserstoffverdünnung) erfolgt während der Fällung, während die R-16- und R-36-Filme mit Wasserstoffverdünnung in 30 Minuten abgeschieden werden. Mit dem Rasterkraftmikroskop (Agilent 5500) werden die Oberflächenmorphologie und Rauheit der Filme untersucht. Die Dunkel- und Photoleitfähigkeit der Filme werden unter Vakuum (∼ 10−5 mbar) in koplanarer Geometrie im Temperaturbereich von 300–475 K gemessen, um die Aktivierungsenergie abzuschätzen.

Die spektroskopischen Ellipsometrieparameter ψ und Δ (nämlich das Verhältnis der Amplitude und der Phasendifferenz zwischen p- bzw. s-polarisiertem reflektiertem Licht) werden bei Einfallswinkeln von 50°, 60° und 70° mit der Photonenenergie erfasst Bereich zwischen 0,6 und 6,5 eV unter Verwendung des Messgeräts (V-VASE, JA Woollam Co.) mit einem rotierenden Analysator und einem Kompensator an der Singapore Synchrotron Light Source (SSLS). Die Messungen werden in einer Ultrahochvakuumkammer durchgeführt, wodurch eine saubere Oberfläche gemessen werden kann28 und eine universelle Anpassung innerhalb der gleichen optischen Parameter durchgeführt wird. Einzelheiten zum Instrument und zur Messgeometrie sind an anderer Stelle beschrieben29. Die Real- und Imaginärteile der Dielektrizitätskonstanten <ε1> und <ε2> werden mithilfe einer Regressionsanalyse der kleinsten Quadrate30 und einer ungewichteten quadratischen Mittelfehlerfunktion durch Anpassen der experimentellen Spektren mit der Woollam Complete Ease-Software extrahiert. Die Parameter, die der Oberflächenrauheit der R-0-, R-16- und R-36-Proben entsprechen, und die Parameter der jeweiligen dielektrischen Funktionen werden durch eine Kombination des Tauc-Lorentz (TL)/Tauc-Lorentz + G-Modells bewertet um Dicke, Bandlücke und optische Konstanten der Filme zu bestimmen.

Die folgenden Gleichungen werden verwendet, um die dielektrischen Eigenschaften für den durch a-Si eingestellten Strom zu bewerten: H31.

Komplexe dielektrische Funktion \(\varepsilon \left(\omega \right)= {\varepsilon }_{1}\left(\omega \right)+i{\varepsilon }_{2}\left(\omega \right) \) (ω = Kreisfrequenz des einfallenden Photons).

Brechungsindex \(n \left(\omega \right)=\sqrt{\frac{1}{2}[\sqrt{{\varepsilon }_{1}^{2}\left(\omega \right)+ {\varepsilon }_{2}^{2}\left(\omega \right)}+{\varepsilon }_{1}\left(\omega \right)]}\).

Extinktionskoeffizient \(\kappa \left(\omega \right)=\sqrt{\frac{1}{2}[\sqrt{{\varepsilon }_{1}^{2}\left(\omega \right) +{\varepsilon }_{2}^{2}\left(\omega \right)}-{\varepsilon }_{1}\left(\omega \right)]}\).

Verlustfunktion \(-\mathrm{Im }\left[{\varepsilon }^{-1}\left(\omega \right)\right]=\frac{{\varepsilon }_{2}\left(\ omega \right)}{[{\varepsilon }_{1}^{2}\left(\omega \right)+{\varepsilon }_{2}^{2}\left(\omega \right)]} \).

Normales einfallendes Reflexionsvermögen \(R \left(\omega \right)= \frac{{[n\left(\omega \right)-1]}^{2}+{\kappa }^{2}(\omega ) }{{[n\left(\omega \right)+1]}^{2}+{\kappa }^{2}(\omega )}\).

Optische Leitfähigkeit \({\sigma }_{1}\left(\omega \right)= {{\varepsilon }_{0}\varepsilon }_{2}\left(\omega \right) \omega \) ( \({\varepsilon }_{0}\) ist die Permittivität im freien Raum).

Für mikroskopische Untersuchungen unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) werden alle Filme zerkratzt und mehrere Minuten lang in Aceton beschallt und auf einem Kupfernetz verteilt. Die Bilder des hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskops (HR-TEM) und die Muster der selektiven Elektronenbeugung (SAED) werden mit JEOL-2100 aufgezeichnet.

Abbildung 1a zeigt, dass es zwei Exzitonenpeaks gibt, nämlich Ex−1 = 3,4 eV und Ex−2 = 4,24 eV, mit einer breiten Energieverschiebung zwischen Ex−1 und Ex−2 von 0,84 eV, die aus c-Si-Messungen mittels spektroskopischer Ellipsometrie stammt. Für den R-0-Film in Abb. 1b wird das Exziton beider bei niedriger Energie auf das Spektralgewicht verschoben und es ist zu erkennen, dass es bei <ε2> zu einer Verbreiterung von Ex−1 = 3,34 eV und Ex−2 = 3,82 eV mit a kommt Die Größe der Energieverschiebung beträgt 0,48 eV, so dass der Quanteneinschlusseffekt auftritt, wenn sich die Übertragung von hoher Energie über Null zu niedrigerer Energie ändert32. Darüber hinaus ist es wichtig, dass es bei <ε2> des R-0-Films zu einer spektralen Gewichtsübertragung kommt, die jedoch bei einem c-Si-Film nicht sichtbar ist. Es stellt sich heraus, dass der Peak in <ε2> des c-Si-Films bei hoher Energie auftritt, nämlich bei E1 = 5,34 eV. Bei E0 von 3,32 eV kommt es zu einer spektralen Übertragung zu einer niedrigeren Energie, was zu einer spektralen Gewichtsübertragung von 3 eV führt, was ein Zeichen der elektronischen Korrelation ist. Abbildung 1c zeigt die <ε2>-Kurve des R-16-Films und zeigt nicht nur den Quanteneinschlusseffekt, sondern auch den dramatischen Effekt von Wasserstoff. Es ist zu erkennen, dass sich beide Exzitonenpeaks zueinander verschieben und zu einem Exziton zusammenfallen. Wenn mehr Wasserstoff hinzugefügt wird, wie beim R-36-Film in Abb. 1d, kommt es zu einer weiteren Verschiebung von 0,84 eV in der <ε2>-Kurve zwischen Ex−1 = 3,52 eV und Ex−2 = 4,36 eV. Dies führt zu einem sich ändernden Exzitonenmerkmal, das in etwa dem des c-Si-Films entspricht. Dies bedeutet, dass die Wasserstoffverdünnung eine wichtige Rolle bei der Abstimmung der elektronischen Struktur des abgeschiedenen a-Si-Films gespielt hat.

Imaginärer Teil der komplexen dielektrischen Funktion (Bsp. −1: konventionelles Exziton, Bsp. −2: resonante Exzitonen) <ε2> (a) c-Si, (b) R-0, (c) R-16 und (d) R -36.

Abbildung 2 zeigt den Realteil <ε1> der komplexen dielektrischen Funktion, Verlustfunktion und Reflektivität von c-Si-, R-0-, R-16- und R-36-Filmen. Der Wert von <ε1> ändert sich dramatisch von positiv zu negativ und zeigt verschiedene Arten von Plasmonen (Abb. 2a – d), wie später näher erläutert wird. Das <ε1> erreicht ein Minimum mit einem positiven Wert bei etwa ~ 4,45 eV. Für alle Filme weist <ε2> einen Peak bei ~ 3,34 eV auf und der Anstieg ist charakteristisch für Silizium mit einem resonanten Exziton. Resonante exzitonische Effekte treten aufgrund starker Elektron-Loch- und Elektron-Elektron-Wechselwirkungen typischerweise oberhalb der optischen Bandlücken auf und wurden in Graphen beobachtet33,34,35,36,37,38. Das Substrat weist bei ~ 1,00 eV ebenfalls nicht reflektierende Eigenschaften auf, weist jedoch in Abb. 2e – h ein Reflexionsvermögen ungleich Null bei ~ 4,00 eV auf. Wenn der a-Si:H-Film auf dem Substrat abgeschieden wird, geht das Reflexionsvermögen gegen Null und zeigt eine Tiefe bei ~ 4,00 eV, die sich mit der Zugabe von Wasserstoff leicht verschiebt. Das minimale Reflexionsvermögen bei ~ 4,00 eV ist ein Zeichen für Plasmon.

(a–d) Realteil <ε1> der dielektrischen Funktion, (e–h) Reflexionsvermögen und (i–l) Verlustfunktion (E0: konventionelles Plasmon, E1: korrelierte Plasmonen) c-Si, R-0, R -16 und R-36.

Der direkte Weg zum Nachweis von Plasmonen erfolgt über die Verlustfunktion, wie in Abb. 2i – l dargestellt. Die Verlustfunktion zeigt zwei Spitzen bei ~ 3,50 eV und ~ 5,20 eV. Durch die Kombination von Verlustfunktion und <ε1> identifizieren wir zwei verschiedene Arten von Plasmonen. Bei ersterem, bei dem <ε1> positiv ist, handelt es sich um unkonventionelle, korrelierte Plasmonen29. Bei letzterem, bei dem <ε1> negativ ist, handelt es sich um konventionelle Plasmonen. Die Verlustfunktionskurve bestätigt, dass das Plasmon im Film vorkommt, gekennzeichnet durch einen Peak bei ~ 3,50 eV in Abb. 2i – l. Die Peaks zeigen die Rot- und Blauverschiebungen von jeweils ~ 0,74 eV für die R-0- und R-36-Filme, die mit der tiefen Reflektivität übereinstimmen. Ein weiterer Peak wird auch bei 5,20 eV beobachtet, was darauf hindeutet, dass das Plasmon bei dieser Photonenenergie mit dem Exziton koppelt.

Die makroskopische lineare optische Reaktion von Si wird durch die komplexe dielektrische Funktion \(\varepsilon \left(\omega \right)\) dargestellt, die eng mit der elektronischen Bandstruktur des Materials zusammenhängt. Die in \(\varepsilon \left(\omega \right)\) beobachteten Strukturen werden auf Interbandübergänge sowie Exzitonen an kritischen Punkten zurückgeführt, die anhand standardmäßiger analytischer Linienformen analysiert werden können: \(\varepsilon \left( \omega \right)=CA{e}^{i\phi }(\omega -E+i\Gamma {)}^{n}\), wobei ein kritischer Punkt (CP) durch die Amplitude A, Schwellenwert, beschrieben wird Energie E, Verbreiterung Γ und der Exzitonen-Phasenwinkel Ф. Der Exponent n hat den Wert \(-\frac{1}{2}\) für eindimensional (1D), 0 logarithmisch, also \(ln(\omega -E+i\Gamma \)) für 2D, und \(\frac{1}{2}\) für 3D-CPs. Diskrete Exzitonen werden durch n = − 1 dargestellt. Die aus der Linienformanalyse erhaltenen Informationen können mit Bandstrukturberechnungen verglichen werden40,41,42.

Es ist interessant, das Auftreten von Exzitonen und Plasmonen in den Proben weiter zu untersuchen. Im c-Si-Film werden zwei resonante Exzitonen (Abb. 1) und zwei Plasmonen (Abb. 2) beobachtet, bestehend aus einem korrelierten Plasmon (niedrigere Energie) und einem konventionellen Plasmon (höhere Energie). Die starke Kopplung zwischen diesen beiden Arten von Quasiteilchen43,44,45,46,47 bildet das sogenannte Plexziton. Da es sich bei dem Plexziton in dieser Studie um eine Kopplung zwischen resonantem Exziton und korrelierten und/oder konventionellen Plasmonen handelt, schlagen wir vor, dass es sich um ein korreliertes Plexziton handelt. Es wurde beobachtet, dass die korrelierten Plexciton-Strukturen bestehen bleiben, obwohl sich die detaillierte Struktur in a-Si und a-Si: H allmählich ändert, was auf die Bedeutung elektronischer Korrelationen schließen lässt. Wie in Abb. 1 zu sehen ist, verschieben sich die Energien der beiden resonanten Exzitonen (Ex1 und Ex2) näher zueinander (R-0), verschmelzen zu einem Exziton (R-16) und erholen sich wieder zu zwei Exzitonen ( R-36) in Gegenwart einer zunehmenden Anzahl von H-Atomen, wie in Abb. 3 dargestellt. Andererseits sind die Plasmonen immer noch in den gesamten a-Si-Proben vorhanden, was darauf hindeutet, dass korreliertes Plexciton vorhanden sein könnte bestätigt.

Schematische Darstellung des Kopplungsmechanismus von korreliertem Plasmon und resonantem Exziton.

Um die Struktur in den Spektren zu verbessern und eine Linienformanalyse des CP durchzuführen, berechnen wir numerisch die zweite Ableitung der komplexen dielektrischen Funktion in Bezug auf die Photonenenergie d2ε/dω2, wie in Tabelle 2 dargestellt. Abbildung 4 zeigt das Experiment Spektrum der zweiten Ableitung von <ε1>, <ε2> und Verlustfunktion in den Spektralbereichen, in denen Strukturen beobachtet werden (Punkte). Die durchgezogenen und gepunkteten Linien stellen die besten Anpassungen an standardmäßige Linienformen kritischer Punkte dar, abgeleitet von: \(\frac{{d}^{2}\varepsilon }{{d\omega }^{2}}=\left\ {\begin{array}{*{20}l}n\left(n-1\right)A{e}^{i\Phi }(\omega -E+i\Gamma {)}^{n-2 }, n\ne 0\\ A{e}^{i\phi }(\omega -E+i\Gamma {)}^{-2}, n=0\end{array}\right.\). Die Anpassung erfolgt gleichzeitig für den Real- und Imaginärteil von d2ε/dω2 unter Verwendung eines Verfahrens der kleinsten Quadrate48,49. Wenn der Winkel Ф im Phasenfaktor \({e}^{i\Phi }\) Werte annimmt, die ganzzahlige Vielfache von π/2 sind, entspricht die Linienform Übergängen zwischen unkorrelierten Ein-Elektronen-Bändern, während es normalerweise nicht ganzzahlige Vielfache sind Es wird angenommen, dass es excitonische Effekte beinhaltet, indem es eine Mischung aus zwei ganzzahligen CP-Mehrfachlinienformen ermöglicht.

Passt an die zweiten Ableitungen des Realteils (blaue Linie) und des Imaginärteils (rote Linie) der komplexen dielektrischen Funktion an, einschließlich der Verlustfunktion von (a) c-Si, (b) R-0, (c) R-16 und ( d) R-36.

Abbildung 5 zeigt ein mögliches Bandschema, bei dem das Valenzband bei 0 eV und das Leitungsband bei ~ 4,00 eV positioniert ist. Diese Platzierung basiert auf der Annahme, dass das Leitungsband die Lücke zwischen dem höchsten geladenen Zustand und dem niedrigsten leeren Zustand (diese Lücke ist im Wesentlichen die Anfangsenergie für den Ladungsübertragungsprozess) im Verhältnis 1:3 aufteilt, wie aus jüngsten Berichten hervorgeht auf c-Si. Diese Schätzung für die Valenzbandposition (dh 0 eV und darunter) stimmt mit der Lücke von < 1 eV zwischen Valenzband und Leitungsband in einer anderen aktuellen Berechnung für c-Si50 überein. Basierend auf den Ergebnissen der SE und der Analyse der zweiten Ableitung an den Proben von c-Si, R-0, R-16 und R-36 wird bei Raumtemperatur durch Zugabe von H ein neuer Zustand in der Mitte der Lücke gebildet, wie in Abb 5. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass es sich bei dem System nicht um einen gewöhnlichen Halbleiter handelt, schlagen wir zwei neue Zustände in der Mitte der Lücke vor: einen im gefüllten Zustand und einen im leeren Zustand mit einer sehr kleinen endlichen Lücke dazwischen. Aus der detaillierten Beobachtung der elektronischen Bandstruktur schließen wir, dass der ungefüllte mittlere Lückenzustand wahrscheinlich durch ungefüllte Zustände höherer Energie gebildet wird, die den unteren Teil des Leitungsbandes füllen. Die vorgeschlagene Bandstruktur zeigt auch, dass bei Zugabe von H der Ladungstransferübergang dazu neigt, den Elektron-Loch-Übergang zu dominieren, was durch den spektralen Gewichtstransfer51 quantitativ bestätigt wird.

Schematische Darstellung der elektronischen Bandstruktur in c-Si, R-0, R-16 und R-36.

Da wir in der Lage sind, die optischen Übergänge in den drei a-Si:H zu identifizieren, können wir die Änderung der damit verbundenen optischen Übergänge einzeln quantifizieren. Diese Änderung wird quantitativ anhand der optischen Leitfähigkeit σ1(ω) des a-Si:H ermittelt, da σ1(ω) die f-Summe-Regel (Ladungserhaltung) erfüllt und mit der Gesamtelektronendichte n durch die Beziehung \( {\int }_{0}^{\infty }{\sigma }_{1}\)(ω) dω = πne2/2me, wobei me die Ruhemasse des Elektrons ist52. Für einen endlichen Energiebereich kann das Integral ausgedrückt werden als W = \({\int }_{E1}^{E2}{\sigma }_{1}\)(E) dE. Das W wird als spektrale Gewichtsübertragung bezeichnet und ist proportional zur effektiven Anzahl von Elektronen, die an den optischen Übergängen innerhalb des Energiebereichs [E1, E2] beteiligt sind. Unter Berücksichtigung des experimentellen Energiebereichs von 0,6 bis 6,5 eV unserer beobachteten Spektren unterteilen wir die SWT in drei verschiedene Bereiche, nämlich W1 für den Energiebereich 0,6–3,1 eV, W2 für 3,1–4,0 eV und W3 für 4,0–6,5 eV . Die geschätzten W1, W2 und W3 und ihre Summe W für jedes der a-Si:H sind in Abb. 6 dargestellt.

(a) Spektren der optischen Leitfähigkeit (σ1) und (b) Spektralgewicht von R-0, R-16, R-36 und c-Si. Einschub: Die geschätzte spektrale Gewichtsübertragung über drei Energiebereiche: 0,6–3,1 eV (W1), 3,1–4,0 eV (W2) und 4,0–6,5 eV (W3), wobei W als W1 + W2 + W3 definiert ist.

Das gesamte Spektralgewicht W von a-Si: H über den gemessenen Spektralbereich von 0,6 bis 6,5 eV ist in Abb. 6b dargestellt. Es kommt zu einem Anstieg von W, wenn der Probe Wasserstoff von R-16 bis R-36 hinzugefügt wird, gefolgt von einem Abfall auf ungefähr das gleiche Niveau wie bei R-0, wenn der Probe Wasserstoff fehlt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es auf R-36 mehr Elektronen mit Energien zwischen 0,6 und 6,5 eV gibt als in R-0 und R-16. Dies bedeutet, dass in der R-36-Probe die Anzahl der Elektronen mit Energien außerhalb des gemessenen Spektralbereichs zunimmt. Diese spektrale Gewichtsverschiebung kann nicht allein durch die Aktivierung der Addition eines Wasserstoffatoms erklärt werden, da die mit R-0 und R-16 verbundene Energie zu klein ist (< 33 meV); Daher muss jede zusätzliche gewonnene oder verlorene Energie aus der potentiellen Energie der Elektron-Elektron-Korrelation stammen. Im R-0 sind sowohl Plasmonen- als auch Exzitonenkopplungen zu beobachten, die sich im R-16 auflösen, was auch mit der Abnahme der Elektronenleitfähigkeit und Elektronendichte einhergeht. Abbildung 6b zeigt die Änderung von W für jeden der drei Spektralbereiche von Abb. 6a, wenn der Probe Wasserstoff von R-16 zu R-36 hinzugefügt wird. Während es in den Bereichen niedriger und mittlerer Energie kaum Veränderungen gibt, zeigt der spektrale Gewichtsverlust in den Bereichen hoher Energie eine deutliche Verschiebung der Elektronendichte von diesem Spektralbereich zu höheren Energien (über 6,5 eV). Der Anstieg der Elektronenenergien in der Größenordnung von mehreren eV ist auf die Korrelation der weit entfernten Elektronen zurückzuführen, die aufgrund der verringerten elektronischen Filterung jetzt im Vordergrund steht53. Dies wiederum führt zu plasmonischer Aktivität, die in leitfähigen Materialien beobachtet wird.

In Abb. 7 sind die HR-TEM-Bilder der Filme mit unterschiedlichem Wasserstoffgehalt dargestellt. Im R-0-Film ist eine kristalline Insel mit einer Größe von mehreren nm zu beobachten (Abb. 7a), die einen starken Beweis für einen nanokristallinen Bereich (nc-Si: H) zeigt. Die poröse Struktur des R-0-Films wird durch die H2-Ätzwirkung des Plasmas verursacht. Der aus dem Bild berechnete interplanare Abstand (d) liegt zwischen 0,2 und 0,3 nm und entspricht den (111)- und (220)-Ebenen im Si-Kristall. Dies ist auf die erhöhte Bindung und Mikrostruktur dieser dem Wasserstoffplasma ausgesetzten Filme zurückzuführen. Während der Wasserstoffbehandlung bricht ein großer Fluss von Wasserstoffatomen, die an der Oberfläche des Films ankommen, die schwache Si-Si-Bindung auf und ersetzt sie durch eine starke Si-Si-Bindung54. Die Wasserstoffatome diffundieren auch in die meisten Filme und verbessern die Struktur des Films55. Während des anschließenden Wachstums bevorzugen Si-Atome, die an der Oberfläche ankommen, diese strukturelle Anordnung beizubehalten, anstatt ein zufälliges Netzwerk zu bilden56. Dieser Prozess setzt sich für einige Atomschichten fort und es bildet sich dann ein zufälliges Netzwerk aus Si-Atomen, was zum Wachstum von a-Si:H führt. Beim R-16 in Abb. 7b wird der Film nur einem Wasserstoffplasma ausgesetzt einmalige Behandlung und anschließende Ausfällung über einen längeren Zeitraum, was zu keinen Veränderungen in der Mikrostruktur der Folie führt. Beim R-36-Film mit höherer H2-Verdünnung und anschließender kürzerer Abscheidungszeit führte die Umwandlung von a-Si:H zu nc-Si:H zu einer Mischphase der amorphen und nanokristallinen Strukturen, wodurch eine dichtere amorphe Struktur entstand Film, wie in Abb. 7c.

HR-TEM-Bilder von (a) R-0-, (b) R-16- und (c) R-36-Filmen, die eine Entwicklung vom nanokristallinen Bereich zur amorphen Phase aufgrund der Wasserstoffverdünnung zeigen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir durch die gleichzeitige Messung der komplexen dielektrischen Funktion, der Verlustfunktion und des Reflexionsvermögens des Wasserstoffverdünnungseffekts in den a-Si-Filmen mithilfe der spektroskopischen Ellipsometrie elektronische und optische Strukturen bestimmen und einen ungewöhnlichen spektralen Gewichtstransfer beobachten, der zu hochenergetischen resonanten Exzitonen führt und korrelierte Plasmonen und signifikante Verschiebungen der Fermi-Niveaus. Aus der Analyse des spektralen Gewichtstransfers stellen wir fest, dass nach der Zugabe von Wasserstoff eine Abnahme der elektronischen Abschirmung zu einer Zunahme der Elektronenkorrelation über große Entfernungen führt und die potentielle Energie des Systems erhöht, was zur Bildung resonanter Exzitonen und korrelierter Plasmonenkopplungen führt ein korreliertes Plexziton. Die Streuung von Elektronen durch die Kopplung hochenergetischer resonanter Exzitonen und korrelierter Plasmonen führt zu einer Erhöhung der Massenträgerdichte und in der Folge zu einer reversiblen Verschiebung der Fermi-Energie. Insgesamt sind wir davon überzeugt, dass die Ergebnisse dieser Arbeit mit den Demonstrationsergebnissen hochenergetischer resonanter Exzitonen und korrelierter Plasmonen für die Leistung von Photovoltaikgeräten in a-Si:H und der eingeführten Methodik dazu beitragen können, die Leistungsumwandlungseffizienz von Solarzellen zu steigern Hier können Exzitonen und Plasmonen in Halbleitern und stark korrelierten Elektronensystemen untersucht werden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

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Die Autoren danken dem Ministerium für Bildung und Kultur der Republik Indonesien für die Unterstützung bei der Bereitstellung des indonesischen Stipendiums und der Weltklasse-Professur. Die Arbeiten an der National University of Singapore wurden vom Bildungsministerium Singapurs unterstützt (T2EP50220-0041 und MOE2019-T2-1-037). Die Autoren möchten dem ITS Research Centre und der Singapore Synchrotron Light Source (SSLS) für die Bereitstellung der für die Durchführung der Forschung erforderlichen Einrichtungen danken. Das SSLS ist eine nationale Forschungsinfrastruktur der National Research Foundation Singapore.

Fachbereich Physik, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Surabaya, 60111, Indonesien

Soni Prayogi, Retno Asih, Budhi Priyanto, Malik A. Baqiya, Yoyok Cahyono und Darminto

Fakultät für Elektrotechnik, Pertamina-Universität, Jakarta, 12220, Indonesien

Soni Prayogi

Fachbereich Physik, National University of Singapore, Singapur, 117542, Singapur

Muhammad A. Naradipa und Andrivo Rusydi

Singapore Synchrotron Light Source, 5 Research Link, Singapur, 117603, Singapur

Andrew Rusydi

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YC und D. schlugen die Idee vor und diskutierten über die Ergebnisse, SP und MAN führten die Experimente durch, RA, BP und MAB schrieben das Manuskript und überarbeiteten es von D. und AR, und AR und D. lieferten Einblicke in die experimentellen Daten kohärent und schlug das korrelierte Plexciton vor.

Korrespondenz mit Darminto oder Andrivo Rusydi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Prayogi, S., Asih, R., Priyanto, B. et al. Beobachtung resonanter Exzitonen und korrelierter Plasmonen, die korrelierte Plexzitonen in amorphem Silizium mit unterschiedlichem Wasserstoffgehalt ergeben. Sci Rep 12, 21497 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24713-5

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Eingegangen: 01. August 2022

Angenommen: 18. November 2022

Veröffentlicht: 13. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24713-5

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