蘇州納米所等解析薄膜光電探測器倍增機理

　　【儀表網 儀表研發】薄膜型光電器件，包括光伏電池、光電探測器等光電轉換器件和發光二極管、激光器等電光轉換器件，通常是由夾在底電極和頂電極之間的多層薄膜垂直堆疊組成的封閉結構。此類器件的能帶結構不僅決定于各層材料本身的能帶，而且取決于各層之間的界面效應，是影響載流子傳輸，進而決定器件性能的關鍵因素之一。如何準確獲取此類垂直封閉型器件的能帶結構極具挑戰性，特別是在器件實際工作狀況下。
 

　　中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所光電界面團隊發展了橫截面開爾文探針顯微鏡技術(SKPM)，突破了垂直封閉構型限制，實現了薄膜光電器件工況下界面能帶結構的動態表征，解析了器件未知工作機理，取得了系列研究成果【Nat. Commun. 11, 5585 (2020)，J. Am. Chem. Soc. 142, 18281 (2020)，Nat. Commun. 10, 4593 (2019)，Adv. Mater. 30, 1802490 (2018)， Nano Energy 40, 454 (2017)，Nano Lett. 17, 3231 (2017)，Nat. Commun. 6, 7745 (2015)】。
 

　　近期，該團隊等將橫截面SKPM應用于薄膜光電探測器，解析了器件的倍增機理。該研究利用溶液工藝制備的薄膜型光電探測器不僅具有成本低、重量輕、柔性等優勢，而且展現出較高的增益，有時甚至超過商品化的雪崩二極管，引起了廣泛關注。但是，此類器件的倍增機理一直以來存在爭議，主要瓶頸在于缺乏有效的實驗論證。該團隊通過橫截面SKPM動態追蹤了暗態、光照和反偏壓下器件能帶結構的演化過程，證實界面電荷陷阱、光照和反偏壓三者協同誘導的界面能帶彎曲，能夠有效降低空穴注入勢壘，引起大量的空穴注入。由于注入電流相比光照產生的電流高數個數量級，兩者疊加從而產生非常高的增益。相關文章以In-operando visualization of interfacial band bending in photomultiplying organic photodetectors為題，發表在Nano Letters上。
 

　　雖然橫截面SKPM在薄膜光電器件機理解析方面作用顯著，但由于探針懸梁臂串擾引起的系統性誤差，常使得測量精準度大打折扣。為此，該團隊提出了激發探針二階共振頻的方式優化探針振蕩動力學，有效抑制懸梁臂串擾效應，從而大幅提高測量精準度。通過有限元數值模擬證實，二階頻下懸臂梁的自由端存在一個固定的節點，其左右兩端的位移方向相反，使得懸臂梁所做的虛功自我抵消，是減小懸臂梁串擾的關鍵。相關文章以Quantitative amplitude-modulation scanning Kelvin probe microscopy via the second eigenmode excitation為題，發表在Ultramicroscopy上。
 

　　相關研究工作獲得國家自然科學基金、科學技術部重點研發計劃、江蘇省自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項和科研裝備研制項目、蘇州納米協同創新中心，以及蘇州納米所的支持。