Forskare vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) – en användarfacilitet för US Department of Energy (DOE) Office of Science vid Brookhaven National Laboratory – har använt en optoelektronisk avbildningsteknik för att studera det elektroniska beteendet hos atomärt tunna nanomaterial som exponeras för ljus. Kombinerat med optisk bildbehandling i nanoskala, denna scanning fotoström mikroskopi teknik ger ett kraftfullt verktyg för att förstå de processer som påverkar genereringen av elektrisk ström (fotoström) i dessa material. En sådan förståelse är nyckeln till att förbättra solcellernas prestanda, optiska sensorer, ljusdioder (lysdioder), och annan optoelektronik – elektroniska enheter som förlitar sig på ljus-materia-interaktioner för att omvandla ljus till elektriska signaler eller vice versa.

"Alla som vill veta hur ljusinducerad elektrisk ström fördelas över en halvledare kommer att dra nytta av denna förmåga, " sa CFN-materialforskaren Mircea Cotlet, medförfattare på den 17 maj uppsatsen Advanced Functional Materials som beskriver arbetet.

Genererar en elektrisk ström

När den träffas med ljus, halvledare (material som har ett elektriskt motstånd mellan det hos metaller och isolatorer) genererar en elektrisk ström. Halvledare som består av ett lager eller några lager av atomer, t.ex. grafen, som har ett enda lager av kolatomer - är av särskilt intresse för nästa generations optoelektronik på grund av deras känslighet för ljus, som kan styra deras elektriska konduktivitet och mekaniska flexibilitet. Dock, mängden ljus som atomärt tunna halvledare kan absorbera är begränsad, vilket begränsar materialens reaktion på ljus.

För att förbättra ljusupptagningsegenskaperna hos dessa tvådimensionella (2D) material, forskare lägger till små (10–50 atomer i diameter) halvledande partiklar som kallas kvantprickar i lagret/lagren. De resulterande "hybrid" nanomaterialen absorberar inte bara mer ljus utan har också interaktioner som sker vid gränssnittet där de två komponenterna möts. Beroende på deras storlek och sammansättning, de ljusexciterade kvantprickarna kommer att överföra antingen laddning eller energi till 2D-materialet. Att veta hur dessa två processer påverkar hybridmaterialets fotoströmsvar under olika optiska och elektriska förhållanden - såsom intensiteten av det inkommande ljuset och pålagd spänning - är viktigt för att designa optoelektroniska enheter med egenskaper som är skräddarsydda för särskilda applikationer.

"Fotodetektorer känner av en extremt låg ljusnivå och omvandlar det ljuset till en elektrisk signal, " förklarade Cotlet. "Å andra sidan, fotovoltaiska enheter som solceller är gjorda för att absorbera så mycket ljus som möjligt för att producera en elektrisk ström. För att designa en enhet som fungerar för fotodetektion eller fotovoltaiska tillämpningar, vi behöver veta vilken av de två processerna - laddning eller energiöverföring - som är fördelaktigt."

Lyser upp laddnings- och energiöverföringsprocesser

I den här studien, CFN -forskarna kombinerade atomiskt tunn molybdendisulfid med kvantprickar. Molybdendisulfid är en av övergångsmetalldikalkogeniderna, halvledande föreningar med en övergångsmetall (i detta fall, molybden) lager inklämt mellan två tunna lager av ett kalkogenelement (i detta fall, svavel). För att kontrollera gränssnittsinteraktionerna, de designade två sorters kvantprickar:en med en sammansättning som gynnar laddningsöverföring och den andra med en sammansättning som gynnar energiöverföring.

"Båda sorterna har kadmiumselenid i sin kärna, men en av kärnorna är omgiven av ett skal av zinksulfid, "förklarade CFN -forskningsassistent och första författare Mingxing Li." Skalet är en fysisk distans som förhindrar överföring av laddning. Kärn-skal kvantprickar främjar energiöverföring, medan kvantprickarna endast för kärnan främjar laddningsöverföring."

Forskarna använde renrummet i CFN Nanofabrication Facility för att tillverka enheter med hybridnanomaterialen. För att karakterisera prestandan hos dessa enheter, de genomförde skanningsfotoströmmikroskopistudier med ett optiskt mikroskop byggt internt med hjälp av befintlig utrustning och öppen källkod för GXSM-instrumentkontroll som utvecklats av CFN-fysikern och medförfattaren Percy Zahl. Vid skanning av fotoströmikroskopi, en laserstråle skannas över enheten medan fotoströmmen mäts vid olika punkter. Alla dessa punkter kombineras för att producera en elektrisk strömkarta. Eftersom laddning och energiöverföring har distinkta elektriska signaturer, forskare kan använda denna teknik för att avgöra vilken process som ligger bakom det observerade fotoströmsvaret.

Kartorna i denna studie avslöjade att fotoströmsvaret var högst vid låg ljusexponering för hybridenheten med endast kärna (laddningsöverföring) och vid hög ljusexponering för hybridenheten med kärna skal (energiöverföring). Dessa resultat tyder på att laddningsöverföring är extremt fördelaktig för enheten som fungerar som en fotodetektor, och energiöverföring är att föredra för fotovoltaiska tillämpningar.

"Att skilja energi och laddningsöverföringar enbart med optiska tekniker, såsom fotoluminescens livstidsavbildningsmikroskopi, är utmanande eftersom båda processerna minskar luminescenslivslängden i liknande grad, ", sa CFN-materialforskaren och medförfattaren Chang-Yong Nam. "Vår undersökning visar att optoelektroniska mätningar som kombinerar lokaliserad optisk excitation och fotoströmsgenerering inte bara tydligt kan identifiera varje process utan också föreslå potentiella optoelektroniska anordningar som är lämpliga för varje fall."

"På CFN, vi genomför experiment för att studera hur nanomaterial fungerar under verkliga driftsförhållanden, "sa Cotlet." I det här fallet, vi kombinerade den optiska expertisen från Soft and Bio Nanomaterials Group, expertis inom tillverkning av enheter och elektrisk karakterisering av Electronic Nanomaterials Group, och mjukvarukompetens från Interface Science and Catalysis Group för att utveckla en förmåga vid CFN som gör det möjligt för forskare att studera optoelektroniska processer i en mängd olika 2-D-material. Den nya anläggningen för skanning av fotoströmmikroskopi är nu öppen för CFN-användare, och vi hoppas att denna förmåga kommer att dra fler användare till CFN-tillverknings- och karakteriseringsfaciliteterna för att studera och förbättra prestanda hos optoelektroniska enheter."