스캐닝 광전류 현미경

스캐닝 광전류 현미경 (스캔PhotoCurrent는현미경，SPCM) 는 재료의 광전류 강도 분포를 측정하는 데 사용되는 고정밀 장치입니다.이 기술은 광학 자극과 전기학 측정을 결합하여 레이저를 점별로 스캔하고 광전류 신호를 동시에 기록함으로써 재료 표면의 광전 특성에 대한 공간 분포 영상을 실현한다.그 핵심 원리는 광생 캐리어의 자극, 분리 및 수집 및 신호의 공간 매핑과 관련되며, 이 과정은 광전 재료의 응답 신호를 측정하여 광전 성질을 표징하는 데 사용될 수 있다.레이저가 재료 표면에 초점을 맞출 때, 입사된 광자 에너지는 흡수되어 전자를 생성한다-빈 구멍 쌍.내부에 전기장을 건설하거나 게다가 편압작용을 가하면 이런 담류자는 효과적으로 분리되여 정방향의 광전류를 형성하게 된다.스캐닝 광전류 현미경 통과“빛 자극-전기 응답”의 정확한 공간 매핑은 재료 표면의 광전 활성을 시각화하기 때문에 나노 부품의 캐리어 동력학, 인터페이스 특성 및 결함 공정을 연구하는 중요한 도구가 된다.이 기술의 핵심은 고해상도의 광학 스캔과 미약한 전자 신호 추출 사이의 효과적인 결합에 있다.토폴로지 양자 재료와 플렉시블 광전기 부품 등 첨단 분야에서 이 기술은 거대한 응용 잠재력을 보여준다.

그림1.스캐닝 광전류 원리도

스캐닝 광전류 기술의 응용

1. 부품 고장 분석

칼슘 티타늄 태양 전지의 성능은 시간에 따라의 추이그리고 감쇠,나아가부품의 불안정을 초래하다.기존 전류 밀도-전압 (J-V는) 커브 측정 (예그림a와 같이) 효율성과 같은 전반적인 디바이스 성능 매개변수만 거시적으로 표시할 수 있습니다.화채우기 계수기다리다그러나 성능 저하의 미시적 원인을 밝힐 수는 없습니다.

그림2.（a) 이질결 칼슘 티타늄 태양 전지 구조 （b)) 기존J-V는커브

기반스캐닝 광전류 현미경얻을 수 있다부품 표면의 광전류 분포도。균일한 고광택 전류의 분포도 (그림 참조)b)와 같이) 는 전체 활성 영역에서 전하 생성 및 수집 효율이 일치하는 건강하고 성능이 좋은 부품을 나타냅니다.그리고 부품이 노화되어 효력을 상실한 후, 그 광전류 분포도 (그림 참조)c화d와 같이) 매우 고르지 않게 변한다.그림에 나타나는 밝은 빨간색/노란색 스펙트럼은 일반적으로 에너지를 소비하고 장치의 출력 전압과 충전 계수를 낮추는 작은 부분적 합선 또는 누전 채널인 국부 고전류 영역을 나타냅니다.그리고 넓은 파란색/보라색 영역은 저전류 또는 무전류를 나타냅니다.“데드 존”이러한 영역의 재료는 분해, 둔화 또는 전극과의 접촉 불량으로 인해 전하가 효과적으로 생성되거나 전송되지 않아 전체 전류가 저하될 수 있습니다.스캐닝 광전류 현미경 (SPCM)는 강력한 무손실 진단 도구입니다.거시적인 성능 저하 (J-V는곡선 디스플레이 효율 저하)는 미시적이고 공간적인 전류 분포가 고르지 않은 것과 직접적으로 관련된다.부품의 크리피지 및 데드존 실패 지점을 시각화하여가연구자들에게 칼슘 티타늄 태양 전지 성능의 쇠퇴를 초래하는 구체적인 원인 (예: 이온 이동, 전극 부식, 인터페이스 강하 등) 을 분석하기 위한 직관적인 증거를 제공하여 재료 합성과 부품 구조의 최적화를 지도하고 전지의 안정성을 향상시키는 데 매우 중요한 방향을 제공하였다. (참고 문헌:Muehlbrandt는등,RSC Adv., 2017, 7, 42973–42978）

그림3.（a) 통과J-V는곡선 계량화 부품 성능 （B-D）.0，7하늘,28천체 부품의 광전류도

2. 2차원 이질 구조 중의 자발적인 태양광 효과

전통적인 태양광 부품은 인공적으로 구축된 비대칭 구조 내부의 전장에 의존하여 광생 전하를 분리해야 한다.그리고 이 연구는 새로운 메커니즘을 보여줍니다. 두 가지 다른 2차원 재료 (WSe는₂화BP는) 간단한 스태킹으로 형성된 이질매듭 중 인공적으로 만들 필요가 없는PN매듭은 두 가지 재료 인터페이스 자체의 고유한 물리적 성질 비대칭성만으로 빛에 의해 방향이 고정된 광전류를 생성할 수 있다.이런 효과는“자발적”태양광 효과.스캔 광전류 기반 현미경 (SPCM) 이 도구는 이 현상을 발견하고 실증하기 위한 것이다.그림에서 볼 수 있듯이, 작은 레이저 빔을 전체 이질 결합 부품의 표면에 초점을 맞추고 스캔하며, 0에 편압을 가하는 조건에서 각 점에서 발생하는 광전류의 크기와 방향을 정확하게 측정한다.SPCM그려진 광전류 분포도는 두 재료의 중첩 영역, 즉 이질 결계면에서현저하고 균일한 광전류 신호.이 중요한 이미지 증거는 인터페이스 자체가 효율적인 광전 변환 활성 영역이라는 것을 직접 증명합니다.이런 자발적인 태양광 효과의 근원은 이질 결계면의 천연적인 대칭성 결함에 있다.WSe는₂화BP는서로 다른 공간 대칭성, 에너지 밴드 구조 등 서로 다른 결정 구조와 전자 특성을 가지고 있다.그것들이 결합되면 인터페이스에 내재적이고 방향이 고정된 내장 전장이 형성된다.이 내장 전장 의 작용 은 하나 에 해당한다“자동”빛에 의해 전자가 생성되는 전하 분리기-빈 구멍이 맞을 때, 이 전장은 그것들의 정방향 이동을 구동하여 정전류를 발생시킨다.그 중요한 의의는 초박형, 복잡한 혼합공법이 필요 없고 성능이 우수한 신형 태양광과 광전 탐지 부품을 실현하기 위해 새로운 기술 경로를 제공했다는 것이다.(참고문헌:Akamatsu는등,과학 372, 68–72 (2021)）

그림4. WSe는₂、BP는및 이질결합 대비: (A-C）.옵티컬 미러, (D-F）.광전류 맵, (G-I는）.광전류 선주사도

3. 태양광 효과의플렉시블 라이트복

MoS2는덮어쓰기VO2는나노벨트에서 연구원들은 스캔광전류현미경을 리용하여 부품을 스캔하여 광전류의 공간분포도를 그려냈는데 그 결과 Z강의 광전류신호가 고도로 집중되여있다는것을 똑똑히 보여주었다.VO₂나노 테이프의 가장자리 영역, 고응변 경도 영역과 일치합니다.(참고문헌:큰et알.,Nat은Nanotechnol은，2021년 8월;16(8):894-901）

그림5. 레이저를 비추다1점,2점 및 무조도 부품의 전류-전압 곡선.그림은 장치 횡단면 다이어그램입니다.1，2비트 측정.（a）. MoS는2의E12g는패턴의 라만 이미지 결과(b)레이저가 부품을 비추는 광전류 영상 결과

4. 인터페이스 분석

스캐닝 광전류 기술은 약150 nm의높은 공간그래파이트를 정확하게 측정하고 정량적으로 분석한 해상도비닐트랜지스터 통로 내의 나노미터 척도 전세 분포.연구 결과, 금속 전극(티/Pd/Au) 회p타입은 아래쪽의 그래핀을 섞고 이 효과는 통로 안으로 확장된다0.2-0.3μm, 따라서n유형통로를 따라 통과 영역하나의 관건을 이루었다p-n-p구조.광전류 분포에 대한 수치적 적분을 통해 연구자들은 이 구조의 에너지 대역도를 정량적으로 재구성하였는데, 이는 흑연을 직접적으로 해석하였다비닐트랜지스터에서 흔히 볼 수 있는 전자와 공혈 전도 비대칭성——그 근원은p-n매듭지어 가져오다에 대한 추가 접촉 저항체재재료 속성.또한 이 기술은 단일 및 다중 흑연 탐지에도 성공적으로 적용됩니다.비닐인터페이스의 전하 이동과 내장 전장은 마찬가지로 저차원 이질 결합 인터페이스의 전자 행위를 연구하는 강력한 도구임을 나타낸다.(참고문헌:Müller는등,물리적 검토 B 79, 245430 (2009)）

그림6.（A）. 부품 재료다양한 계층 구성 (B）. 금속 전극을 제외한 광전류 이미지인터페이스 부강 신호밖단일 및 다중 레이어인터페이스 (흰색 점선) 에서도 명확한 광전류 신호가 관찰되었고, 극성은 양쪽 인터페이스에서 상반되었다（C）.흑연비닐트랜지스터용모와스캔광전류 응답울타리에 따라 눌렀어진화 과정

5. 대뇌 뉴런 전기특징

우리 뇌의 마이크로미터 시냅스로 연결된 복잡한 뉴런 회로는 신경과학의 여러 방면의 잠재적 메커니즘을 해독하기 위해 초고시공 해상도로 신경망을 매핑할 수 있는 기술이 필요하다.그래핀 트랜지스터 배열과 스캐닝 광전류 현미경을 결합하여 우리는 원시 해마 뉴런의 단일 시냅스의 전기 활동을 감지할 수 있다.뉴런 과정 하에서 직접 그래핀 광전 탐지기의 국부 전도 변화를 측정함으로써 우리는 탈극화 과정 중 단일 시냅스의 세포 외 전위 변화를 추정할 수 있다.그래핀의 초고속 성질 광전류 응답은 아밀리초 시간 해상도로 각 시냅스의 활동 모드를 디코딩할 수 있다.이 새로운 신경 기술은 신경망에서 단일 시냅스의 전기 생리학적 결과를 기록하는 데 유망한 잠재력을 제공합니다.(참고문헌:브루어등,나노 편지 2018,18(9). 5702–5708）

그림7. （A) 내장형 흑연비닐트랜지스터의 사강 신경원-콜라겐 세포 공배양 마이크로 유체 장치의 설명도.（B) 광전류 측정에 대한 다이어그램을 스캔합니다.연사는 레이저 반점이 투명 덮개 볼륨을 통해 뉴런 아래의 그래핀을 스캔하는 것을 제한한다.（C) 신경망 아래의 그래핀 트랜지스터의 미분 간섭 대비도 (DIC는）。두 개의 검은색 직사각형은 그래핀 아래에 있는 불투명한 것이다Au전극막.키우고 있는 제5일, 사용 (d）mCherry는-트리거 (빨간색) 및 (E）mCerulean은(파란색) 차이가 뉴런을 전염시켜 신경교질과 함께 배양되는 것을 유지한다.부분음중품 적색 사각형 영역의 확대 형광 이미지: (F）mCerulean은(파란색);（G)의mCherry는-시냅스 (빨간색);（H）mCerulean은화mCherry는의 시냅스의 중첩;및 (I）GFP-GCaMP6의(녹색)

세포를 밖으로K +농도4 mM최대60 mM화학이 유발하는 폭발을 연구하러 왔습니다.DIC는및 형광 이미지는 시냅스 접촉을 식별하는 데 사용됩니다 (그림3A-F는), 그리고 레이저 빔은 해당 그래핀에 초점을 맞춘다-시냅스 연결부, 간격50 μs광전류 응답을 수집하여 경계에서 로컬 전기의 활동을 기록합니다.。

그림6.（A) 배양하는 제9하늘, 그래핀 트랜지스터 꼭대기에 있는 뉴런 형태의DIC는이미지.（B）mCherry는-시냅스 (빨간색);（C）mCerulean은(파란색);（D）mCerulean은화mCherry는-synaptophysin은의 중첩;및 (E）GFP-GCaMP6의(녹색)（F) 섹션D중품 적색 사각형 영역의 상세한 형광과 (G) 광전류 이미지.（H) 3개 높이K +자극 주기 하 그래핀-시냅스 연결점 (부분F화G의 흰색 삼각형) 광전류 응답 (4）-60-4-60-4-60）。（I) 섹션H핀홍색 화살표가 가리키는 첨봉 펄스의 자발적인 파형.