Small Methods: 低成本光电流可视化成像系统

(扫描光电流显微镜)助力纳米光电子器件的研究

smtd光电流的产生是与太阳能电池、光电探测器等光电器件工作直接相关的重要过程。可视化光电流能够揭示材料微观结构与光电流的相互关系,提供有价值的信息来理解材料中电荷传输与复合的过程。同时还可以通过获得材料不同位置所对应的光电流大小,准确地提取材料的关键电学特性参数,譬如载流子扩散长度等。对光电器件微区光电流的研究,也能很好地揭示器件的工作机制,为器件的结构设计与性能优化提供指引。近年来,扫描光电流显微镜作为可视化光电流的一个强有力的工具,在各类纳米光电子器件的研究中得到了广泛的应用。特别是随着过渡金属硫化物(TMDs)以及黑磷(BP)等二维材料研究的蓬勃发展,其在材料性能以及器件工作机制上都与传统半导体材料和器件有很大差异,扫描光电流成像系统成为研究其性能的重要手段。但以往的报道大都缺少对整个系统搭建过程的详细描述,这严重阻碍了扫描光电流显微镜技术在研究中的广泛使用。此外,为了提高光电流测量的灵敏度和信噪比,往往需要使用价格昂贵的锁相放大器和光学斩波器等部件,既增加了系统的成本,又增大了设备的尺寸。

近日,西班牙IMDEA-nanociencia的Andres Castellanos-Gomez博士研究小组利用常见的光学与机械元件,设计了一套具有较高分辨率(光斑尺寸~2.3 μm)、低成本(<10000欧)、易搭建的扫描光电流显微镜系统。研究团队利用所搭建的光电流成像系统,研究了在零偏压下基于MoS2二维材料同质p-n结器件中光电流的分布情况。结果表明,光照下MoS2同质p-n结中光电流的产生主要来源于p-n结区。具体而言,掺杂类型不同的MoS2薄片中能带失配产生内建电场,当光辐射到2片MoS2薄片的重叠区域(结区)时,光生载流子在内建电场的作用下分离进而产生光电流。而当光仅仅辐射在单个MoS2薄片上时,光生载流子会很快复合,导致无光电流产生。特别是,作者通过光电流成像发现有效结区面积是直接测量得到的纳米薄片重叠面积的1/2左右,因此器件光电转换效率实际被低估了一倍左右。通过光电流成像的校正,器件的实际光电转换效率达到1%。这项工作为扫描光电流显微镜系统的搭建提供了低成本且易于实施的解决方案,为研究纳米光电子器件中光生载流子的传输、分离与复合过程,以及进一步优化器件结构、提高器件光电转换效率提供了极大的帮助。相关研究成果近期发表在Small Methods杂志上(DOI: 10.1002/smtd.201700119)上。

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