了解原子级薄纳米材料中的光诱导电流

2018-12-27 10:05:13
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功能纳米材料中心(CFN)的科学家 - 美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室 - 使用光电成像技术研究暴露在光线下的原子级薄纳米材料的电子行为。结合纳米级光学成像,这种扫描光电流显微镜技术为理解影响这些材料中电流(光电流)产生的过程提供了强大的工具。这种理解是提高太阳能电池,光学传感器,发光二极管(LED)和其他光电子器件性能的关键 - 电子器件依靠光物质相互作用将光转换成电信号,反之亦然。

“任何想知道光诱导电流如何分布在半导体上的人都将受益于这种能力,”CFN材料科学家Mircea Cotlet说道,他是5月17日高级功能材料论文的共同作者,描述了这项工作。

产生电流

当用光照射时,半导体(在金属和绝缘体之间具有电阻的材料)产生电流。由一层或几层原子组成的半导体 - 例如石墨烯,具有单层碳原子 - 对于下一代光电子学特别感兴趣,因为它们对光的敏感性可以控制地改变它们的光导电性和机械灵活性。然而,原子级薄的半导体可以吸收的光量是有限的,因此限制了材料对光的响应。

为了增强这些二维(2D)材料的光捕获特性,科学家在层中添加了微小的(直径10-50个原子)半导体粒子,称为量子点。得到的“混合”纳米材料不仅吸收更多的光,而且还在两种组分相遇的界面处发生相互作用。取决于它们的尺寸和组成,光激发的量子点将电荷或能量转移到2D材料。知道这两个过程如何影响混合材料在不同光学和电学条件下的光电流响应 - 例如入射光的强度和施加的电压 - 对于设计具有针对特定应用定制的特性的光电器件是重要的。

“光电探测器感知极低的光线,并将光线转换成电信号,”Cotlet解释道。“另一方面,太阳能电池等光伏器件吸收尽可能多的光以产生电流。为了设计一种用于光电探测或光伏应用的器件,我们需要知道这两种工艺中的哪一种。 - 充电或能量转移 - 是有益的。“

点亮充电和能量转移过程

在这项研究中,CFN科学家将原子级薄的二硫化钼与量子点结合起来。二硫化钼是过渡金属二硫属化物中的一种,半导体化合物具有夹在两个硫属元素薄层(在这种情况下为硫)之间的过渡金属(在这种情况下为钼)层。为了控制界面相互作用,他们设计了两种量子点:一种具有有利于电荷转移的成分,另一种具有有利于能量转移的成分。

“这两种核心都含有硒化镉,但其中一个核心被硫化锌壳包围,”CFN研究助理和第一作者李明星解释道。“壳是物理间隔物,可防止电荷转移发生。核 - 壳量子点促进能量转移,而仅核心量子点促进电荷转移。”

科学家们利用CFN纳米加工设施的洁净室制造混合纳米材料的设备。为了表征这些器件的性能,他们使用现有设备和由CFN物理学家和共同作者Percy Zahl开发的开源GXSM仪器控制软件,使用内置光学显微镜进行扫描光电流显微镜研究。在扫描光电流显微镜中,在装置上扫描激光束,同时在不同点测量光电流。将所有这些点组合以产生电流“图”。由于电荷和能量转移具有不同的电子特征,科学家们可以使用这种技术来确定观察到的光电流响应背后的过程。

该研究中的图显示,对于仅核心的混合装置(电荷转移)和核 - 壳混合装置的高光照(能量转移),在低光照下光电流响应最高。这些结果表明,电荷转移对于用作光电探测器的装置是非常有益的,并且能量转移对于光伏应用是优选的。

“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具有挑战性的,因为这两种方法都将发光寿命降低到相似的程度,”CFN材料科学家和共同通讯作者Chang-Yong Nam说。“我们的研究表明,结合局部光学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,还可以建议适用于每种情况的潜在光电器件应用。”

“在CFN,我们进行了实验,研究纳米材料如何在实际操作条件下发挥作用,”Cotlet说。“在这种情况下,我们结合了软和生物纳米材料集团的光学专业知识,电子纳米材料集团的器件制造和电气特性专业知识,以及Interface Science和Catalysis Group的软件专业知识,以发展CFN的能力,科学家研究各种二维材料中的光电子过程。新的扫描光电流显微镜设施现在对CFN用户开放,我们希望这种能力将吸引更多用户到CFN制造和表征设施来研究和改善光电器件的性能。 “。

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