Microscope à photocourant à balayage

Microscope à photocourant à balayage (balayagePhotocourantMicroscopie,SPCM), est un dispositif de haute précision utilisé pour détecter la distribution de l'intensité du photocourant d'un matériau. Cette technologie combine excitation optique et mesure électrique pour permettre l'imagerie de la distribution spatiale des propriétés photoélectriques de la surface du matériau en balayant le laser point par point et en enregistrant les signaux photocourants de manière synchrone. Son principe de base concerne l'excitation, la séparation et la collecte de porteurs photogénérés, ainsi que la cartographie spatiale des signaux, un processus qui peut être utilisé pour mesurer le signal de réponse d'un matériau photoélectrique et ainsi caractériser ses propriétés photoélectriques. Lorsque le laser se concentre sur la surface du matériau, l'énergie photonique incidente est absorbée et génère des électrons-Paire de trous (porteurs photogénérés). Sous l'effet d'un champ électrique intégré ou d'une polarisation appliquée, ces porteurs sont efficacement séparés pour former un photocourant orienté. Microscope à photocourant à balayage à travers“Excitation lumineuse-Réponse électrique« etLa cartographie spatiale précise, qui visualise l'activité photoélectrique de la surface du matériau, est donc un outil important pour l'étude de la dynamique des porteurs, des propriétés d'interface et de l'ingénierie des défauts dans les nanodispositifs. Le cœur de cette technologie réside dans la combinaison efficace entre le balayage optique à haute résolution et l'extraction de signaux électroniques faibles. Dans des domaines de pointe tels que les matériaux quantiques topologiques et les dispositifs optoélectroniques flexibles, la technologie présente un énorme potentiel d'application.

Figure1.Diagramme de principe du courant optique à balayage

Application de la technologie de photocourant à balayage

1. Analyse de défaillance du dispositif

La performance des cellules solaires pérovskite se fera avec le tempsLe passage deEt l'atténuation,À son tourProvoque l'instabilité du dispositif. Densité de courant traditionnelle-Tension (J-V) mesure de la courbe (CommeFigureaMontré), ne peut révéler que macroscopiquement les paramètres de performance globaux du dispositif, tels que l'efficacitéetFacteur de remplissageEtc.Mais il ne peut pas révéler les racines microscopiques de la baisse de performance.

Figure2.(a) Structure de cellule solaire en pérovskite à hétérojonction (b) traditionnelJ-VLa courbe

Basé surMicroscope à photocourant à balayagePeut obtenirDiagramme de distribution du photocourant à la surface du dispositif- Oui.Carte de distribution de courants lumineux homogènes et élevés (comme le montre la figurebMontré), représente un dispositif sain et performant dont la production de charge et l'efficacité de collecte sont constantes dans toute la zone active. Alors que lorsque le dispositif vieillit et échoue, son diagramme de distribution de photocourant (comme dans la figurecetdMontré), deviendra extrêmement hétérogène. Rouge vif apparaissant sur l'image/Les taches jaunes représentent des zones locales à courant élevé, qui sont généralement de minuscules points de court - circuit locaux ou des canaux de fuite qui dissipent l'énergie et réduisent la tension de sortie et le facteur de remplissage du dispositif. Et le Grand Bleu/La zone violette représente un courant faible ou nul.“La zone morte« et, les matériaux de ces zones peuvent avoir été dégradés, passivés ou en mauvais contact avec les électrodes, incapables de produire ou de transporter efficacement des charges électriques, entraînant une chute du courant global. Microscope à photocourant à balayage (SPCM), est un outil de diagnostic non destructif puissant. Il atténue les performances du macro (J-VLa courbe montre une baisse d'efficacité) est directement liée à une distribution de courant microscopique et spatiale inégale. En visualisant les points de fuite et les points morts de défaillance dans le dispositif,pouvoirFournit aux chercheurs des preuves intuitives pour analyser les causes spécifiques de la dégradation des performances des cellules solaires pérovskites (telles que la migration ionique, la corrosion des électrodes, la dégradation de l'interface, etc.), fournissant ainsi une orientation cruciale pour guider la synthèse des matériaux et l'optimisation de la structure du dispositif, améliorant la stabilité de la batterie.(références:Muehlbrandtet al.,RSC Adv., 2017, 7, 42973–42978) et

Figure3.(a) parJ-VPerformance du dispositif de quantification des courbes (b-d) et.0，7Les jours,28Diagramme de photocourant du dispositif Sky

2. Effets photovoltaïques spontanés dans une hétérostructure bidimensionnelle

Les dispositifs photovoltaïques traditionnels nécessitent de s'appuyer sur un champ électrique à l'intérieur d'une structure asymétrique construite artificiellement pour séparer les charges photogénérées. Et cette étude montre un mécanisme entièrement nouveau: dans deux matériaux bidimensionnels différents (WSe₂etBP), dans une hétérojonction formée par simple empilement, sans aucune construction manuellePNLa jonction, par la seule dissymétrie des propriétés physiques intrinsèques à l'interface des deux matériaux elle - même, peut générer un photocourant de direction fixe sous la lumière. Cet effet est appelé“Spontanée« etEffet photovoltaïque. Basé sur la microscopie à photocourant à balayage (SPCM), cet outil pour découvrir et confirmer ce phénomène. Comme le montre la figure, un petit faisceau de laser est focalisé et balayé sur toute la surface du dispositif à hétérojonction, et la taille et la direction du photocourant généré en chaque point sont mesurées avec précision dans des conditions de polarisation appliquée nulle.SPCMLa carte de distribution du photocourant tracée montre visuellement: dans la zone de chevauchement des deux matériaux, à savoir au niveau de la surface de jonction hétérogène, il est produitSignal photocourant significatif et homogène. Cette preuve d'image critique prouve directement que l'interface elle - même est une zone active de conversion photoélectrique efficace. L'origine de cet effet photovoltaïque spontané réside dans la rupture naturelle de symétrie au niveau de la surface de jonction hétérogène.WSe₂etBPAvec différentes structures cristallines et propriétés électroniques, telles que différentes symétries spatiales, structures de bandes d'énergie, etc. Lorsqu'ils sont combinés, un champ électrique interne interne, de direction fixe, se forme à l'interface. Ce champ électrique intégré agit comme un“automatique« etSéparateur de charge, lorsque la lumière produit des électrons-Lorsque les paires de trous, ce champ électrique les entraîne dans un mouvement directionnel qui crée un courant net. Son importance réside dans le fait qu'il offre une toute nouvelle voie technologique pour la réalisation de nouveaux composants photovoltaïques et photodétecteurs ultraminces, sans processus de dopage complexes et avec d'excellentes performances.(références:Akamatsuet al.,Science 372, 68–72 (2021)) et

Figure4. WSe₂Et,BPEt son hétéro - contraste: (A-C) et.Miroir de lumière, (D-F) et.Carte de photocourant, (G-I) et.Le photocourant scanne d'abord le diagramme

3. L’effet photovoltaïqueFlexion de la lumièreVolt

MoS2Couvert dansVO2Sur la nanobande, les chercheurs ont scanné le dispositif à l'aide d'un microscope à photocourant à balayage pour cartographier la distribution spatiale du photocourant, et les résultats ont clairement montré que: le signal de photocourant fort Z est fortement concentré dansVO₂Nano - bandeLa zone de bord, coïncidant avec la zone de gradient de déformation élevé.(références:Le grandetal.,NatNanotechnologie,2021 août; 16(8):894-901) et

Figure5. Sous irradiation laser1Le point,2Courant du dispositif au point et sans éclairement-Courbe de tension. Les illustrations sont des vues schématiques en coupe transversale de l'appareil.1，2Pour le site de mesure.(a) et. MoS2deE12gRésultats d'imagerie Raman pour les modesb).Résultats de l'imagerie photoactuelle du dispositif sous irradiation laser

4. Analyse de l'interface

Technologie de photocourant à balayage prêt150 nmdeEspace élevéRésolution, cartographie précise et analyse quantitative du graphiteèneDistribution de potentiel à l'échelle nanométrique à l'intérieur du canal du transistor. L'étude a révélé que les électrodes métalliques (Ti / Pd / Au) seraitpGraphène sous le dopage de type, et cet effet s'étend à l'intérieur du canal0,2 - 0,3des μm, donc dansntypeZone de conduction le long du canalFormé une clép-n-pLa structure. En intégrant numériquement la distribution du photocourant, les chercheurs ont reconstitué quantitativement le diagramme de bande d'énergie de la structure, ce qui explique directement le graphite.èneAsymétrie de conduction des électrons et des trous commune dans les transistors– –Ses racines sontp-nApporter avec vousRésistance de contact supplémentaire, et nonMatériau du corpsPropriétés du matériau. En outre, la technologie a été appliquée avec succès à la détection de graphite MONOCOUCHE ET MULTICOUCHEèneLe transfert de charge à l'interface avec le champ électrique intégré suggère qu'il s'agit également d'un outil puissant pour étudier le comportement électronique des interfaces à hétérojonction de faible dimension.(références:Muelleret al.,EXAMEN PHYSIQUE B 79, 245430 (2009)) et

Figure6.(Un) et. Matériaux du dispositifComposition des différentes couches (C. B) et. Image de photocourant, à l'exception des électrodes métalliquesSignal fort à l'interfaceEn dehors, dansMONOCOUCHE ET MULTICOUCHEUn signal clair de photocourant a également été observé à l'interface (en pointillés blancs) et la polarité est inversée aux interfaces des deux côtés.(C) et.GraphiteèneTransistorsTopographie etScanRéponse photoactuellePressée avec la grilleProcessus d'évolution

5. Électricité des neurones du cerveauCaractéristiques

Les circuits neuronaux complexes connectés par des synapses submicroniques dans notre cerveau nécessitent des technologies capables de cartographier les réseaux neuronaux à très haute résolution spatio - temporelle pour déchiffrer les mécanismes sous - jacents des multiples facettes des neurosciences. En combinant une matrice de transistors de Graphène avec un microscope à photocourant à balayage, nous pouvons détecter l'activité électrique des synapses individuelles des neurones de l'hippocampe d'origine. En mesurant les variations locales de Conductance des photosondes au Graphène directement sous le processus neuronal, nous avons pu estimer les variations de potentiel extracellulaire des synapses individuelles au cours de la dépolarisation. La réponse photoactuelle ultra - rapide du graphène permet de décoder les modes d'activité des différentes synapses avec une résolution temporelle inférieure à la milliseconde. Cette nouvelle technologie neuronale offre un potentiel prometteur pour enregistrer les résultats électrophysiologiques de synapses individuelles dans les réseaux de neurones.(références:Brasserieet al.,Nano Lettres 2018,18(9). 5702 à 5708) et

Figure7. (Un) avec graphite intégréèneNeurones à quatre chambres pour transistors-Représentation schématique d'un dispositif microfluidique de co - culture de cellules gliales. (C. B), une représentation schématique de la mesure du photocourant de balayage. Le spot laser de limitation de diffraction traverse une lamelle transparente pour scanner le Graphène sous les neurones. (C) contraste interférentiel différentiel des transistors Graphène sous réseau neuronal (DIC). Deux rectangles noirs sont opaques situés sous le GraphèneAuFilm d'électrode. Dans la culture de la5Dieu, avec (d) etmCherry-La synaptine (rouge) et (E) etmCerulean(bleu) transfection différentielle des neurones, maintien de la co - culture avec la glie. En partieEh bienImage fluorescente agrandie de la zone carrée Magenta centrale: (F) etmCerulean(bleu);(G) demCherry-Synaptine (rouge);(H) etmCeruleanetmCherryChevauchement des synaptines;Et (Je) etGFP-GCaMP6(vert).

En plaçant hors de la celluleK Le +Concentration à partir de4 mMAugmenté à60 mMPour étudier les explosions induites chimiquement.DICEt des images fluorescentes pour identifier les contacts synaptiques (fig.3A-F), puis le faisceau laser est focalisé sur le Graphène correspondent-Aux connexions synaptiques, tous les50 μsRecueillir la réponse photoactuelle pour enregistrer l'activité de l'électricité locale à la jonction- Oui.

Figure6.(Un) en culture9Jours, sur le dessus d'un transistor Graphène de type neuroneDICLes images. (C. B) etmCherry-Synaptine (rouge);(C) etmCerulean(bleu);(D) etmCeruleanetmCherrysynaptophysineLa superposition de;Et (E) etGFP-GCaMP6(vert). (F) en partieDFluorescence détaillée de la zone carrée Magenta centrale et (G), images de photocourants. (H) Trois hautsK +Graphène sous cycle de stimulation-Points de connexion synaptiques (en partieFetGTriangle blanc dans) La réponse photo - actuelle (4) et- 60 - 4 - 60 - 4 - 60). (Je) en partieHForme d'onde spontanée de l'impulsion de pointe indiquée par la flèche Magenta.