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光电流成像系统助力纳米光电子器件研究

发布时间：2019-07-08 11:15:18 浏览量：3758

摘要

在太阳能电池/光电探测器等光电器件研究工作中，光电流是十分重要的一种性能表征的手段。而将光电流现象可视化的显示出来，可

以帮助研究材料本身微观结构与光电流的相互关系，为理解材料中电荷传输与复合的过程提供有价值的信息。材料位置与光电流大小一

一对应的mapping图，也可以更为准确地提取材料的关键电学特性参数，例如载流子扩散长度，耗尽层宽度等等。可以更好地揭示器

件内部的工作机制，为器件的结构设计与性能优化提供了方向性的指引。最近几年，光电流成像系统在各类纳米光电子器件研究中应用

颇多。

关键词

正文

在太阳能电池/光电探测器等光电器件研究工作中，光电流是十分重要的一种性能表征的手段。而将光电流现象可视化的显示出来，可以帮助研究材料本身微观结构与光电流的相互关系，为理解材料中电荷传输与复合的过程提供有价值的信息。材料位置与光电流大小一一对应的mapping图，也可以更为准确地提取材料的关键电学特性参数，例如载流子扩散长度，耗尽层宽度等等。可以更好地揭示器件内部的工作机制，为器件的结构设计与性能优化提供了方向性的指引。最近几年，光电流成像系统在各类纳米光电子器件研究中应用颇多。尤其是在过渡金属硫化物TMDS以及黑鳞BP等二维材料领域日趋火热，这类新型二维材料的性能以及器件工作机制上和传统半导体区别极大，借助光电流成像系统则成为了一种研究内在机理的重要手段。目前研究所常用的光电流成像系统，为了提高灵敏度和信噪比，往往需要使用锁相放大器和光学斩波器，会极大地增加整套系统的花费。

而我司独家代理的Nanobase的光电流成像系统，在显微共聚焦拉曼的基础上，可以方便的扩展微区光电成像功能，具有较高分辨率（光斑尺寸~2.3um），较大的扫描范围（200um*200um），振镜扫描的光点控制方式，可以实现绝对同一点的拉曼/光电流/荧光/荧光寿命测量，为研究团队提供强有力的实验数据。

韩国成均馆大学的 Si Young Lee教授在他的研究Large Work Function modulation of Monolayer MoS2 by Ambient Gases中使用这套系统，研究了MoS2器件在不同环境气体下的工作效率，并最终制出部分钝化的新型半导体，其理想因子几乎为1，具有完美的电可逆性，并且通过光电流成像系统测得耗尽层宽度为~200nm，比体半导体窄了极多。相关研究成果发表在ACS NANO杂志上(ACS Nano 2016,10,6,6100-6107)

西班牙IMDEA-nanocientia的Andres Castellanos-Gomez博士研究小组利用类似的光电流成像系统，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%。相关研究成果发表在Small Methods杂志上（DOI:10.1002/smtd.201700119)上。