본 연구는 켈빈 프로브 포스 현미경(KPFM)이 표면 광전압(SPV) 매핑을 통해 실리콘 나노와이어(SiNW) 방사형 접합(RJ) 소자의 개방 회로 전압(VOC)을 정확하게 추출할 수 있음을 입증합니다. 완전히 제작된 RJ SiNW 태양전지에 대한 초기 실험에서 SPV 값이 기존 VOC 측정과 5% 미만으로 차이남을 보였습니다. 이후 개별 ITO-프리 RJ SiNW에 대한 측정에서 팁 섀도잉이 SPV 판독값을 심각하게 편향시킬 수 있음을 밝혔습니다. 팁 형상과 조명 방향을 최적화함으로써, 광 파워에 로그적으로 스케일링되고 소자 VOC와 선형 관계를 유지하는 SPV 곡선을 얻었습니다. 이 결과들은 비접촉, 나노스케일 SPV 탐침이 단일 소자 광전 성능 평가에 실현 가능함을 확인합니다.
반도체 나노구조, 특히 방사형 접합을 가진 나노와이어 어레이는 광 포집과 캐리어 수집에서 상당한 이득을 약속하며, 평면 구조를 능가할 잠재력을 가집니다[1, 2]. 실리콘 나노와이어 RJ는 박막 플랫폼에서 제작 시 9.6% 효율에 접근했습니다[3]. 그러나 개별 나노와이어의 광전기적 거동 평가는 소자 최적화를 위한 중요한 과제로 남아있습니다.
우리는 KPFM을 사용하여 RJ SiNW의 국소 VOC를 탐침합니다. KPFM 유도 VOC가 평면 광전소자에서 검증되었으나[3, 4], 나노구조 소자에의 적용은 비자명합니다. 이는 표면 광전압(SPV)을 포착하기 위해 별도의 암실 및 조명 측정이 필요하기 때문입니다.
첫 번째 전략은 ITO 전면 접촉을 포함한 완성된 RJ SiNW 셀을 조사합니다. 다양한 조명 파워에서 기존 전류-전압(I-V) 데이터와 KPFM 유도 SPV를 비교합니다. 두 번째 전략은 고립된 RJ SiNW(ITO 없음)에 초점을 맞춰 팁 형상과 조명 각도가 SPV 추출에 미치는 영향을 연구합니다. 마지막으로 거시적 켈빈 프로브 측정으로 고립 및 완성된 소자 모두에 대한 분광 SPV 데이터(SPS)를 제공합니다.
RJ SiNW는 Sn 나노입자 촉매를 사용하여 500°C에서 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)으로 ZnO:Al 코팅 코닝 유리(Cg) 위에 성장시켰습니다. 175°C에서 p형 SiNW 코어 위에 순응성 고유층(80nm) 다음으로 n형층(10nm) 수소화 비정질 실리콘(a-Si:H)을 증착했습니다. 완성된 소자는 스퍼터링으로 마스크 하에 4mm 직경 ITO 상부 접촉을 증착하여 마무리했습니다. 전체 제작 세부사항은 다른 문헌에 있습니다[1, 5-7].
위상 변조(FM)보다 위상 풍부한 나노와이어 스캔 시 우수한 안정성을 위해 진폭 변조(AM) KPFM을 사용했습니다. 측정은 1310nm 레이저 빔 기반 편향 시스템(LBBDS)을 탑재한 HORIBA/AIST-NT TRIOS 플랫폼에서 수행되어 광여기 아티팩트를 최소화했습니다[8-10]. 시스템은 상부, 측면, 하부 조명을 위한 세 개의 대물렌즈를 제공합니다.
SPV는 암실 CPD에서 조명 CPD를 빼서 얻으며, 이 기술은 VOC 추출에 입증되었습니다[5, 11]. 조명은 가변 파워의 OXXIUS 488nm 레이저 다이오드로 제공했습니다.
두 개의 전도성 AFM 팁을 사용했습니다: ARROW-EFM(표준 팁)과 ATEC-EFM(경사 팁). 둘 다 PtIr 코팅된 도핑 실리콘 캔틸레버를 가집니다.
2mm 강철 팁과 할로겐 램프 단색기(400-1000nm)를 사용한 거시적 켈빈 프로브 측정은 나노스케일 데이터를 보완하여 정성적 표면 광전압 분광법(SPS)을 가능하게 합니다.
완성된 소자에 대해 KEITHLEY 2450 소스미터와 마이크로 포지셔너로 위치한 텅스텐 바늘을 사용하여 동일한 AFM 설정에서 I-V 특성화를 수행했습니다. 암실 및 조명(488nm, 70-1000µW) 조건에서 I-V 곡선을 모두 기록했습니다.
KPFM 및 거시적 I-V 측정 설정에 대한 개략도
고립된 RJ SiNW에 대한 KPFM 매핑은 ARROW와 ATEC 팁으로 상부 및 측면 조명 하에서 동일한 파워 레벨로 수행되었습니다.
먼저 AFM LBBDS 파장의 영향을 평가했습니다. TRIOS(1310nm)와 외부 AFM(690nm)으로 측정한 거시적 I-V 곡선은 암실에서 무시할 만한 차이를 보였으며, 1310nm 빔 활성화 시 VOC에 0.5mV 이동과 ISC에 1nA 변화만 있었습니다. 대조적으로 690nm 빔은 뚜렷한 광전 반응(VOC 545mV, ISC 28µA)을 유도하여 암실 측정을 위한 근적외선 LBBDS의 중요성을 강조합니다.
SiNW RJ 소자의 암실(검정), 1310nm LBBDS(파랑), 690nm LBBDS(빨강) 조건 I-V 곡선. 삽도는 선형 영역(-5mV~+5mV) 확대.
그림 3은 70, 150, 270, 560µW 조명 하 I-V 특성을 보여주며, 광 강도에 따른 ISC와 VOC의 예상 증가를 확인합니다. 동반 KPFM 맵은 지형, 암실 CPD, 조명 CPD(488nm, 270µW)를 표시합니다. 나노와이어 가장자리에서 CPD 변동(~±10mV)은 지형 유도 아티팩트에 기인하며, 나노와이어 상단에서 추출한 값을 후속 분석에 사용했습니다.
a 66, 5, 149, 268, 555µW(488nm)에서 거시적 I-V 곡선; b 지형, 암실 CPD, 조명 CPD(270µW).
그림 4는 두 소자에 대한 I-V 법 VOC와 KPFM 법 SPV의 조명 파워 의존성을 비교합니다. 최대 편차는 70µW에서 <5%, 더 높은 파워에서 <2%입니다. 두 곡선 모두 로그 트렌드(500-600mV)를 따르며 이상도 인자는 1.5±0.1(소자 1)과 1.75±0.25(소자 2)로 a-Si:H P-I-N 접합 문헌과 일치합니다[12-14].
소자 1(a)과 2(b)에 대한 VOC와 SPV 대 광 파워.
고립된 RJ SiNW에 대한 SPV 측정은 섀도잉 효과를 부각합니다. ARROW 팁과 상부 조명 사용 시 낮은 SPV 값(그림 5a, 사각형)과 기울기 ~0.4를 보였습니다. 경사진 ATEC 팁으로 전환 시 SPV가 40% 증가했습니다(그림 5b, 삼각형). ARROW 팁으로 조명을 상부에서 측면으로 변경(그림 5c, 파란 점)하면 SPV가 추가 개선되나, 완성된 소자 수준에는 미치지 못합니다. 완성된 셀에서는 ITO 층이 많은 나노와이어에 걸쳐 광전압을 균질화하므로 섀도잉이 없습니다.
고립 RJ NW에서 ARROW-EFM 및 ATEC-EFM 팁으로 상부 및 측면 조명 하 SPV 대 광 파워. 기준 소자 1 표시. 우측 하단: 고립 NW 지형.
묶인 고립 소자에 대한 정성적 SPS(그림 6a)는 근적외선(800-1000nm)에서 유의미한 SPV(80-260mV)를 보이는 반면, 완성된 소자는 800nm 이하에서 무시할 만한 SPV를 보입니다. 반면 완성된 소자는 630nm에서 급격한 SPV 상승으로 560mV에 도달하나 NIR에서 10mV 미만으로 떨어집니다. 완성된 소자에서 ITO 층 제거 후 SPV(400-750nm)가 즉시 급감했으나 72시간 후 회복되어 고립 NW 수준에 접근했습니다. 이 결과들은 ITO/a-Si:H 계면이 높은 VOC에 필수적임을 확인하며, 그 부재가 고립 NW에서 밴드 밴딩과 SPV 크기를 제한함을 보여줍니다.
SPS 측정: a 완성된 소자 vs 고립 NW; b 완성된 소자 ITO 제거 전과 72시간 후.
전반적으로 KPFM을 이용한 국소 SPV 매핑은 완전히 제작된 RJ SiNW 소자에서 VOC의 신뢰할 수 있는 대리 지표를 제공하는 반면, 고립 NW는 팁 섀도잉과 ITO 접촉 부재로 감소된 SPV를 보입니다.
완성된 RJ SiNW 셀에 대한 동시 I-V와 KPFM 연구는 KPFM으로 추출한 SPV가 기존 측정의 VOC와 밀접하게 일치함을 확인합니다. 반면 고립 RJ SiNW는 팁 섀도잉으로 감소된 SPV를 보이며, 팁 형상과 조명 방향 최적화가 이를 완화하지만 완성된 소자의 VOC를 완전히 회복하지는 못합니다. SPS 실험은 ITO/a-Si:H 계면이 높은 광전압에 필수적임을 입증하며, 고립 NW에서의 부재가 밴드 밴딩과 SPV를 제한합니다. 그럼에도 불구하고 국소 SPV와 소자 VOC 간 선형 상관관계는 비접촉 나노스케일 SPV가 개별 SiNW 접합의 광전 성능 평가에 강력한 도구임을 검증합니다.
본 연구에서 사용 및/또는 분석된 데이터셋은 합리적 요청 시 교신 저자로부터 제공 가능합니다.
원자 힘 현미경
진폭 변조
수소화 비정질 실리콘
코닝 유리
접촉 전위차
주파수 변조
인듐-주석-산화물
전류-전압
켈빈 프로브 포스 현미경
레이저 빔 기반 편향 시스템
이상도 인자
나노와이어
플라즈마 강화 화학 기상 증착
광전
방사형 접합
실리콘 나노와이어
표면 광전압 분광법
표면 광전압
개방 회로 전압
나노물질
요약 단일분자 자석(SMM)이 두 일반 금속 전극에 결합된 새로운 유형의 스핀 전류 필터가 제안되었습니다. 이 터널 접합은 자기장과 SMM에 인가된 게이트 전압으로 스핀 분극을 스위칭할 수 있는 고도로 스핀 분극된 전류를 생성할 수 있음을 보였습니다. SMM 터널 접합에서의 스핀 스위칭은 SMM의 최하위 비점유 분자 오비탈(LUMO)을 통한 스핀 선택적 단일 전자 공명 터널링에서 기인합니다. 외부 자기장 없이도 전자 전류 스펙트럼은 여전히 스핀 분극되어 있어 분자의 스핀 상태가 바닥 상태 이중항 |±S⟩에 도달했는지 판단하는 데 도
요약 엘라스토머 나노구조는 명시적 기계적 역할을 수행하므로 그 기계적 특성이 재료 성능에 결정적입니다. 다양한 응용 분야로 인해 기계적 특성에 대한 철저한 이해가 요구됩니다. 특히 저밀도 폴리올레핀(LDPE)의 시간 의존적 기계적 거동은 아직 충분히 규명되지 않았습니다. 본 연구에서는 최첨단 피크포스 정량적 나노역학 매핑(PFQNM)을 포스 볼륨(FV) 및 고속 포스 볼륨(FFV)과 결합해 LDPE 시료의 탄성 계수를 시간 의존적으로 평가했습니다. 구체적으로 획득 주파수를 0.1 Hz에서 2 kHz까지 4개 주파수 대역으로 변화시켰
