科学家证明扫描光电流显微镜可以提供提高发电

2019-10-15 08:30:41

布鲁克海文国家实验室的美国能源部(DOE)科学用户设施办公室功能纳米材料中心(CFN)的科学家们已经使用光电成像技术研究了暴露在光下的原子薄纳米材料的电子行为。与纳米级光学成像相结合,这种扫描光电流显微镜技术为了解影响这些材料中电流(光电流)产生过程的工具提供了强大的工具。这种理解对于提高太阳能电池,光学传感器,发光二极管(LED)和其他光电器件的性能至关重要,后者是依靠光-质相互作用将光转换为电信号或反之亦然的电子设备。

CFN材料科学家Mircea Cotlet,在5月17日发表的高级功能材料论文中描述了这项工作,他说:“任何想知道光感应电流如何在半导体上分布的人都会受益于此功能。”

产生电流

当受到光照射时,半导体(电阻介于金属和绝缘体之间的材料)会产生电流。由一层或几层原子组成的半导体-例如,具有单层碳原子的石墨烯-由于其对光的敏感度而可以控制其变化,因此下一代光电器件特别受关注导电性和机械柔韧性。但是,原子上薄的半导体可以吸收的光量受到限制,因此限制了材料对光的响应。

为了增强这些二维(2D)材料的光收集特性,科学家在该层中添加了称为量子点的微小(直径为10-50原子)半导体颗粒。所得的“混合”纳米材料不仅吸收更多的光,而且在两种组分相遇的界面处发生相互作用。根据它们的大小和组成,受光量子点会将电荷或能量转移到2D材料上。了解这两个过程如何影响混合材料在不同的光学和电气条件下的光电流响应-例如入射光的强度和施加的电压-对于设计具有为特定应用量身定制的性能的光电器件非常重要。

Cotlet解释说:“光电探测器检测到极低水平的光并将其转换为电信号。” “另一方面,使诸如太阳能电池之类的光伏设备吸收尽可能多的光以产生电流。为了设计一种可用于光电检测或光伏应用的设备,我们需要知道这两个过程中的哪一个电荷或能量转移是有益的。”

点亮电荷和能量转移过程

在这项研究中,CFN科学家将原子稀薄的二硫化钼与量子点结合在一起。二硫化钼是过渡金属二硫属化合物之一,是一种半导体化合物,其过渡金属层(在这种情况下为钼)夹在硫属元素的两个薄层(在此情况下为硫)之间。为了控制界面相互作用,他们设计了两种量子点:一种量子点有利于电荷转移,另一种量子点有利于能量转移。

CFN的研究合伙人,第一作者李明兴解释说:“两种核都具有硒化镉,但是其中一个核被硫化锌壳所包围。” “壳是防止电荷转移发生的物理间隔物。核-壳量子点促进能量转移,而仅核的量子点促进电荷转移。”

科学家利用CFN纳米制造工厂中的洁净室制造具有混合纳米材料的设备。为了表征这些设备的性能,他们使用现有设备和由CFN物理学家,合著者Percy Zahl开发的开源GXSM仪器控制软件,使用内部制造的光学显微镜进行了扫描光电流显微镜研究。在扫描光电流显微镜中,激光束在整个设备上扫描,同时在不同点测量光电流。所有这些点被组合以产生电流“图”。由于电荷和能量转移具有不同的电学特征,因此科学家可以使用此技术确定观察到的光电流响应背后的过程。

这项研究中的图谱显示,对于仅核心混合动力设备,低光暴露(电荷转移)和对于核心-壳混合动力设备高能量暴露(能量转移)时,光电流响应最高。这些结果表明,电荷转移对于充当光电检测器的设备极为有利,而能量转移在光伏应用中是首选。

CFN材料科学家兼通讯作者南昌勇说:“仅通过光学技术(例如光致发光寿命成像显微镜)来区分能量和电荷转移是一项挑战,因为这两个过程都会将发光寿命降低到相似的程度。” “我们的研究表明,结合局部光激发和光电流产生的光电测量不仅可以清楚地识别每个过程,而且还可以提出适合每种情况的潜在光电器件应用。”

Cotlet说:“在CFN,我们进行实验以研究纳米材料在实际操作条件下的功能。” “在这种情况下,我们结合了软和生物纳米材料小组的光学专业知识,电子纳米材料小组的设备制造和电气表征专业知识以及接口科学和催化小组的软件专业知识,以开发CFN的能力,从而使科学家们将研究各种2D材料中的光电子工艺,新的扫描光电流显微镜设施现已向CFN用户开放,我们希望这种功能将吸引更多的用户使用CFN制造和表征设施来研究和改善光电子器件的性能”。

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