Energy-Selective Nanoscale Mapping of the Effects of Defects on Local Carrier Transports via Scanning Noise Microscopy = 에너지 선택적 노이즈 현미경을 이용한 국소 전하 수송에 결함이 미치는 영향의 나노스케일 매핑

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, there has been tremendous interest in advanced devices based on nanomaterials, while various defects such as vacancies, grain boundaries, and dislocations existing in the materials generate additional electronic states called charge traps. The localized states between the conduction band and the valence band hinder the flow of charge carriers by multiple trapping and release of carriers during transport. Specifically, the multiple trap-and-release process by traps largely affects various carrier transport properties, such as bandgap, short-circuit current, and conductivity, under different external stimuli. It is crucial for a fundamental understanding of various electrical properties of materials to analyze the effects of traps originating from defects on the local transport properties under various external stimuli.
In this dissertation, we discuss the effects of defects on local carrier transports via scanning noise microscopy based on a conducting atomic force microscopy(AFM) with an energy selectivity.
First, the nanoscale mapping of charge trap-induced local bandgap variations in an organic-inorganic halide perovskite film in a solar cell structure will be discussed. Here, wavelength-dependent photocurrent and effective trap density maps are measured using a photoconductive noise microscopy with wavelength selectivity. A Localized bandgap map was obstained by analyzing the photocurrent maps in the same scanned region. Interestingly, we observed that the effective trap density exhibits a power-law relationship with the localized bandgap variation. Localized traps near the band edges effectively reduce the bandgap, indicating that the spatially-varying traps in the perovskite are a key factor affecting a photoconductive property of perovskite-based solar-cell film structure.
Next, the nanoscale mapping of molecular vibration-induced charge trap activities in a reduced graphene oxide (rGO) thin film via vibrational noise microscopy with a bias selectivity will be discussed. The vibrational noise microscopy is a noise analysis method for identifying a dominant local vibrational mode by mapping the spatial distribution of vibrational noises. It was found that, when the bias voltage applied between the conducting probe and the substrate matches a vibrational mode energy, the vibrational noise increases due to polarons generated by electron–phonon interactions during hopping transport. Notably, by analyzing how molecular vibration–induced traps that generate vibrational noise affect the local conductivity, we observed that the locally varying density of these traps exhibits a power-law relationship with the conductivity.

국문 초록 (Abstract)

나노물질을 기반으로 한 첨단 전자·광소자의 성능 향상에는 결함을 줄이는 것이 필수적인 요소다. 한편, 대부분의 실제 물질 내부에는 빈자리(vacancy), 입계(grain boundary), 전위(dislocation)와 같은 다양한 결함이 존재하며, 이들은 전하 트랩(charge trap)이라 불리는 추가 전자 상태를 형성한다. 전도대와 가전자대 사이 밴드갭 내에 위치한 국소화 상태는 운반 과정에서 전하를 반복적으로 포획·방출함으로써 전하 흐름을 저해한다. 특히 이러한 다중 포획–방출 과정은 외부 자극 조건(광자 에너지, 인가 전압 등)에 따라 밴드갭, 단락 전류, 전도도와 같은 여러 운반 특성에 큰 영향을 미친다. 따라서 다양한 외부 자극 하에서 결함 기인 트랩이 국소 수송 특성에 미치는 영향을 규명하는 것은 재료의 전기적 특성을 근본적으로 이해하고 소자 성능을 향상하기 위한 핵심 과제이다.
본 학위논문에서는 도전성 원자힘현미경(conducting atomic force microscopy, c-AFM)에 기반한 에너지 선택적 주사 잡음 현미경(scanning noise microscopy)을 도입하고, 이를 통해 결함에 기인한 전하 트랩이 국소 전하 수송 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
우선, 태양전지 구조의 유·무기 할라이드 페로브스카이트 박막에서 전하 트랩에 의해 유도되는 국소 밴드갭 변화의 나노스케일 매핑 결과를 제시한다. 파장 선택성을 갖는 광전도 잡음 현미경을 이용하여 동일 영역에서 파장 의존적 포토커런트 맵과 유효 트랩 밀도 맵을 측정하고, 이를 바탕으로 국소 밴드갭 분포 지도를 재구성하였다. 그 결과, 유효 트랩 밀도와 국소 밴드갭 변동 사이에 멱함수(power-law) 관계가 존재함을 확인하였으며, 특히 밴드 가장자리 근처에 위치한 국소 트랩이 실효 밴드갭을 효과적으로 감소시킨다는 점을 보였다. 이는 페로브스카이트 내부의 트랩 공간 분포가 페로브스카이트 기반 태양전지 박막의 광전 변환 특성을 결정짓는 중요한 인자임을 의미한다.
다음으로, 바이어스 선택성을 갖는 진동 잡음 현미경을 이용하여 환원 그래핀 산화물 박막에서 분자 진동에 의해 활성화된 전하 트랩이 국소 수송 특성에 미치는 영향을 나노스케일에서 매핑하였다. 진동 잡음 현미경은 지배적인 국소 진동 모드를 식별하고 진동 기인 전류 잡음의 공간 분포를 영상화하는 방법으로, 전도성 프로브와 기판 사이에 인가된 바이어스가 특정 분자 진동 모드의 에너지와 공명할 때, 호핑 수송 과정에서 생성된 폴라론에 기인한 진동성 잡음이 현저히 증가함을 확인하였다. 나아가 진동 유도 트랩 밀도에 따른 전도도 및 진동 잡음의 상관관계를 분석한 결과, 트랩 밀도에 따라 서로 다른 멱함수적 관계가 형성됨을 보였고, 이를 통해 rGO 네트워크 내 분자 진동 유도 트랩이 국소 전하 수송에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서 제시한 에너지 선택적 광·진동 잡음 현미경 기법은 나노스케일에서 결함–트랩–수송 특성 간의 상관관계를 동시에 파악할 수 있는 분석 플랫폼으로서, 차세대 나노소자의 결함 공학 및 성능 최적화 전략 수립에 유용한 기초 정보를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Charge Trap and Electrical Noise 2
• 1.2. Scanning Noise Microscopy 3
• Chapter 2. Nanoscale Mapping of Charge-Trap-Induced Localized Bandgap Variations in Perovskite Solar Cell Structures via Wavelength-Dependent Noise Microscopy 5
• 2.1. Introduction 6
• 2.2. Wavelegnth dependent Scanning Noise Micrscopy Setup 9
• 2.3. Mapping the Effects of Charge Traps on the Wavelength-Dependent Photo-responses of the CsFAMA 11
• 2.4. Nanoscale Variations of Bandgaps in the CsFAMA Perovskite Solar Cell Structure 19
• 2.5. Analyzing Effects of Charge Traps on the Nanoscale Variations of Bandgap of the CsFAMA film 23
• 2.6. Summary 29
• Chapter 3. Mapping of Molecular Vibration-Induced Charge Traps on Reduced Graphene Oxide Films via Scanning Vibrational Noise Microscopy 30
• 3.1. Introduction 31
• 3.2. Scanning Vibrational Noise Microscopy Setup 34
• 3.3. Mapping of Dark Conductivity And Charge Trap Density of the rGO Thin Film on a Gold Substrate 36
• 3.4. Measuring Local Molecular Vibrational Noise Using Bias Dependence of Current Noises 40
• 3.5. Mapping of Molecular Vibrational Noises and the Molecular Vibration-induced Charge Traps .43
• 3.6. Analyzing Effects of Vibration-induced Charge Traps on Conductivities 45
• 3.7. Summary 48
• Chapter 4. Conclusion 49
• Bibliography 51
• Abstract in Korean 56
• Acknowledgement 59