Charge transport in disordered materials : simulations, theory, and numerical modeling of hopping transport and electron-hole recombination

Min avhandling behandlar hur oordnade material leder elektrisk ström. Bland materialen som studeras finns ledande polymerer, d.v.s. plaster som leder ström, och mer allmänt organiska halvledare. Av de här materialen har man kunnat bygga elektroniska komponenter, och man hoppas på att kunna trycka hela kretsar av organiska material. För de här tillämpningarna är det viktigt att förstå hur materialen själva leder elektrisk ström. Termen oordnade material syftar på material som saknar kristallstruktur. Oordningen gör att elektronernas tillstånd blir lokaliserade i rummet, så att en elektron i ett visst tillstånd är begränsad t.ex. till en molekyl eller ett segment av en polymer. Det här kan jämföras med kristallina material, där ett elektrontillstånd är utspritt över hela kristallen (men i stället har en väldefinierad rörelsemängd). Elektronerna (eller hålen) i det oordnade materialet kan röra sig genom att tunnelera mellan de lokaliserade tillstånden. Utgående från egenskaperna för den här tunneleringsprocessen, kan man bestämma transportegenskaperna för hela materialet. Det här är utgångspunkten för den så kallade hopptransportmodellen, som jag har använt mig av. Hopptransportmodellen innehåller flera drastiska förenklingar. Till exempel betraktas elektrontillstånden som punktformiga, så att tunneleringssannolikheten mellan två tillstånd endast beror på avståndet mellan dem, och inte på deras relativa orientation. En annan förenkling är att behandla det kvantmekaniska tunneleringsproblemet som en klassisk process, en slumpvandring. Trots de här grova approximationerna visar hopptransportmodellen ändå många av de fenomen som uppträder i de verkliga materialen som man vill modellera. Man kan kanske säga att hopptransportmodellen är den enklaste modell för oordnade material som fortfarande är intressant att studera. Man har inte hittat exakta analytiska lösningar för hopptransportmodellen, därför använder man approximationer och numeriska metoder, ofta i form av datorberäkningar. Vi har använt både analytiska metoder och numeriska beräkningar för att studera olika aspekter av hopptransportmodellen. En viktig del av artiklarna som min avhandling baserar sig på är att jämföra analytiska och numeriska resultat. Min andel av arbetet har främst varit att utveckla de numeriska metoderna och applicera dem på hopptransportmodellen. Därför fokuserar jag på den här delen av arbetet i avhandlingens introduktionsdel. Ett sätt att studera hopptransportmodellen numeriskt är att direkt utföra en slumpvandringsprocess med ett datorprogram. Genom att föra statisik över slumpvandringen kan man beräkna olika transportegenskaper i modellen. Det här är en så kallad Monte Carlo-metod, eftersom själva beräkningen är en slumpmässig process. I stället för att följa rörelsebanan för enskilda elektroner, kan man beräkna sannolikheten vid jämvikt för att hitta en elektron i olika tillstånd. Man ställer upp ett system av ekvationer, som relaterar sannolikheterna för att hitta elektronen i olika tillstånd i systemet med flödet, strömmen, mellan de olika tillstånden. Genom att lösa ekvationssystemet fås sannolikhetsfördelningen för elektronerna. Från sannolikhetsfördelningen kan sedan strömmen och materialets transportegenskaper beräknas. En aspekt av hopptransportmodellen som vi studerat är elektronernas diffusion, d.v.s. deras slumpmässiga rörelse. Om man betraktar en samling elektroner, så sprider den med tiden ut sig över ett större område. Det är känt att diffusionshastigheten beror av elfältet, så att elektronerna sprider sig fortare om de påverkas av ett elektriskt fält. Vi har undersökt den här processen, och visat att beteendet är väldigt olika i endimensionella system, jämfört med två- och tredimensionella. I två och tre dimensioner beror diffusionskoefficienten kvadratiskt av elfältet, medan beroendet i en dimension är linjärt. En annan aspekt vi studerat är negativ differentiell konduktivitet, d.v.s. att strömmen i ett material minskar då man ökar spänningen över det. Eftersom det här fenomenet har uppmätts i organiska minnesceller, ville vi undersöka om fenomenet också kan uppstå i hopptransportmodellen. Det visade sig att det i modellen finns två olika mekanismer som kan ge upphov till negativ differentiell konduktivitet. Dels kan elektronerna fastna i fällor, återvändsgränder i systemet, som är sådana att det är svårare att ta sig ur dem då elfältet är stort. Då kan elektronernas medelhastighet och därmed strömmen i materialet minska med ökande elfält. Elektrisk växelverkan mellan elektronerna kan också leda till samma beteende, genom en så kallad coulombblockad. En coulombblockad kan uppstå om antalet ledningselektroner i materialet ökar med ökande spänning. Elektronerna repellerar varandra och ett större antal elektroner kan leda till att transporten blir långsammare, d.v.s. att strömmen minskar.

Flexible Sensor for Wearable Vital Sign Monitoring System

In modern society, the body health is a very important issue to everyone. With the development of the science and technology, the new and developed body health monitoring device and technology will play the key role in the daily medical activities. This paper focus on making progress in the design of the wearable vital sign system. A vital sign monitoring system has been proposed and designed. The whole detection system is composed of signal collecting subsystem, signal processing subsystem, short-range wireless communication subsystem and user interface subsystem. The signal collecting subsystem is composed of light source and photo diode, after emiting light of two different wavelength, the photo diode collects the light signal reflected by human body tissue. The signal processing subsystem is based on the analog front end AFE4490 and peripheral circuits, the collected analog signal would be filtered and converted into digital signal in this stage. After a series of processing, the signal would be transmitted to the short-range wireless communication subsystem through SPI, this subsystem is mainly based on Bluetooth 4.0 protocol and ultra-low power System on Chip(SoC) nRF51822. Finally, the signal would be transmitted to the user end. After proposing and building the system, this paper focus on the research of the key component in the system, that is, the photo detector. Based on the study of the perovskite materials, a low temperature processed photo detector has been proposed, designed and researched. The device is made up of light absorbing layer, electron transporting and hole blocking layer, hole transporting and electron blocking layer, conductive substrate layer and metal electrode layer. The light absorbing layer is the important part of whole device, and it is fabricated by perovskite materials. After accepting the light, the electron-hole pair would be produced in this layer, and due to the energy level difference, the electron and hole produced would be transmitted to metal electrode and conductive substrate electrode through electron transporting layer and hole transporting layer respectively. In this way the response current would be produced. Based on this structure, the specific fabrication procedure including substrate cleaning; PEDOT:PSS layer preparation; pervoskite layer preparation; PCBM layer preparation; C60, BCP, and Ag electrode layer preparation. After the device fabrication, a series of morphological characterization and performance testing has been done. The testing procedure including film-forming quality inspection, response current and light wavelength analysis, linearity and response time and other optical and electrical properties testing. The testing result shows that the membrane has been fabricated uniformly; the device can produce obvious response current to the incident light with the wavelength from 350nm to 800nm, and the response current could be changed along with the light wavelength. When the light wavelength keeps constant, there exists a good linear relationship between the intensity of the response current and the power of the incident light, based on which the device could be used as the photo detector to collect the light information. During the changing period of the light signal, the response time of the device is several microseconds, which is acceptable working as a photo detector in our system. The testing results show that the device has good electronic and optical properties, and the fabrication procedure is also repeatable, the properties of the devices has good uniformity, which illustrates the fabrication method and procedure could be used to build the photo detector in our wearable system. Based on a series of testing results, the paper has drawn the conclusion that the photo detector fabricated could be integrated on the flexible substrate and is also suitable for the monitoring system proposed, thus made some progress on the research of the wearable monitoring system and device. Finally, some future prospect in system design aspect and device design and fabrication aspect are proposed.

Readout Electronics for Gas Electron Multiplier Detectors

The European Organization for Nuclear Research (CERN) operates the largest particle collider in the world. This particle collider is called the Large Hadron Collider (LHC) and it will undergo a maintenance break sometime in 2017 or 2018. During the break, the particle detectors, which operate around the particle collider, will be serviced and upgraded. Following the improvement in performance of the particle collider, the requirements for the detector electronics will be more demanding. In particular, the high amount of radiation during the operation of the particle collider sets requirements for the electronics that are uncommon in commercial electronics. Electronics that are built to function in the challenging environment of the collider have been designed at CERN. In order to meet the future challenges of data transmission, a GigaBit Transceiver data transmission module and an E-Link data bus have been developed. The next generation of readout electronics is designed to benefit from these technologies. However, the current readout electronics chips are not compatible with these technologies. As a result, in addition to new Gas Electron Multiplier (GEM) detectors and other technology, a new compatible chip is developed to function within the GEMs for the Compact Muon Solenoid (CMS) project. In this thesis, the objective was to study a data transmission interface that will be located on the readout chip between the E-Link bus and the control logic of the chip. The function of the module is to handle data transmission between the chip and the E-Link. In the study, a model of the interface was implemented with the Verilog hardware description language. This process was simulated by using chip design software by Cadence. State machines and operating principles with alternative possibilities for implementation are introduced in the E-Link interface design procedure. The functionality of the designed logic is demonstrated in simulation results, in which the implemented model is proven to be suitable for its task. Finally, suggestions that should be considered for improving the design have been presented.