掃描光電流顯微鏡

掃描光電流顯微鏡（Scanning PhotoCurrent Microscopy，SPCM）是一種用于檢測材料光電流強(qiáng)度分布的高精度設(shè)備。該技術(shù)結(jié)合了光學(xué)激發(fā)與電學(xué)測量，通過逐點(diǎn)掃描激光并同步記錄光電流信號，實(shí)現(xiàn)對材料表面光電特性的空間分布成像。其核心原理涉及光生載流子的激發(fā)、分離與收集，以及信號的空間映射，這一過程可用于測量光電材料的響應(yīng)信號，從而表征其光電性質(zhì)。當(dāng)激光聚焦于材料表面時(shí)，入射的光子能量被吸收并產(chǎn)生電子-空穴對（光生載流子）。在內(nèi)建電場或外加偏壓作用下，這些載流子會(huì)被有效地分離，形成定向的光電流。掃描光電流顯微鏡通過“光激發(fā)-電響應(yīng)”的精準(zhǔn)空間映射，將材料表面的光電活性可視化，因此成為研究納米器件中載流子動(dòng)力學(xué)、界面特性及缺陷工程的重要工具。該技術(shù)的核心在于高分辨率的光學(xué)掃描與微弱電子信號提取之間的有效結(jié)合。在拓?fù)淞孔硬牧虾腿嵝怨怆娖骷惹把仡I(lǐng)域，該技術(shù)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

圖1.掃描光電流原理圖

掃描光電流技術(shù)的應(yīng)用

1.       器件失效分析

鈣鈦礦太陽能電池的性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減，進(jìn)而導(dǎo)致器件不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的電流密度-電壓（J-V）曲線測量（如圖a所示）僅能從宏觀上揭示器件的整體性能參數(shù)，如效率和填充因子等，但它無法揭示性能下降的微觀根源。

圖2.（a）異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu) （b）傳統(tǒng)J-V曲線

基于掃描光電流顯微鏡可得到器件表面的光電流分布圖。均勻的、高光電流的分布圖（如圖b所示）代表一個(gè)健康、性能良好的器件，其電荷產(chǎn)生和收集效率在整個(gè)活性區(qū)域都是一致的。而當(dāng)器件老化失效后，其光電流分布圖（如圖c和d所示）會(huì)變得極不均勻。圖中出現(xiàn)的亮紅色/黃色斑點(diǎn)代表局部高電流區(qū)域，這通常是微小的局部短路點(diǎn)或漏電通道，它們會(huì)耗散能量，降低器件的輸出電壓和填充因子。而大片的藍(lán)色/紫色區(qū)域則代表低電流或無電流的“死區(qū)”，這些區(qū)域的材料可能已降解、鈍化或與電極接觸不良，無法有效產(chǎn)生或傳輸電荷，導(dǎo)致整體電流下降。掃描光電流顯微鏡（SPCM）是一種強(qiáng)大的無損診斷工具。它將宏觀的性能衰減（J-V曲線顯示效率下降）與微觀的、空間上的電流分布不均直接關(guān)聯(lián)起來。通過可視化器件中的漏電點(diǎn)和死區(qū)失效點(diǎn)，可為研究人員提供了直觀的證據(jù)，用以分析導(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池性能衰退的具體原因（如離子遷移、電極腐蝕、界面降解等），從而為指導(dǎo)材料合成和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提升電池穩(wěn)定性提供了至關(guān)重要的方向。（參考文獻(xiàn)：Muehlbrandt et al., RSC Adv., 2017, 7, 42973–42978）

圖3.（a）通過J-V曲線量化器件性能 （b-d）.0，7天，28天器件的光電流圖

2.       二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的自發(fā)光伏效應(yīng)

傳統(tǒng)的光伏器件需要依賴人工構(gòu)建的不對稱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場來分離光生電荷。而這項(xiàng)研究展示了一種全新的機(jī)制：在由兩種不同的二維材料（WSe?和BP）簡單堆疊形成的異質(zhì)結(jié)中，無需任何人工建造的PN結(jié)，僅憑兩種材料界面本身固有的物理性質(zhì)不對稱性，就能在光照下產(chǎn)生方向固定的光電流。這種效應(yīng)被稱為“自發(fā)”光伏效應(yīng)?；趻呙韫怆娏黠@微鏡（SPCM）這一工具來發(fā)現(xiàn)和證實(shí)這一現(xiàn)象的。如圖所示，將一束微小的激光聚焦并掃描整個(gè)異質(zhì)結(jié)器件表面，并在零外加偏壓的條件下，精確測量每一點(diǎn)產(chǎn)生的光電流大小和方向。SPCM繪制出的光電流分布圖直觀地顯示：在兩種材料的重疊區(qū)域，即異質(zhì)結(jié)界面處，產(chǎn)生了顯著且均勻的光電流信號。這個(gè)關(guān)鍵的圖像證據(jù)直接證明了，界面本身就是一個(gè)高效的光電轉(zhuǎn)換活性區(qū)。這種自發(fā)光伏效應(yīng)的根源在于異質(zhì)結(jié)界面處天然的對稱性破缺。WSe?和BP具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性，如不同的空間對稱性、能帶結(jié)構(gòu)等。當(dāng)它們結(jié)合在一起時(shí)，界面處會(huì)形成一種內(nèi)在的、方向固定的內(nèi)建電場。這個(gè)內(nèi)置電場的作用就相當(dāng)于一個(gè)“自動(dòng)”的電荷分離器，當(dāng)光照產(chǎn)生電子-空穴對時(shí)，該電場會(huì)驅(qū)動(dòng)它們定向移動(dòng)，從而產(chǎn)生凈電流。其重要意義在于，它為實(shí)現(xiàn)超薄、無需復(fù)雜摻雜工藝、性能優(yōu)異的新型光伏和光電探測器件提供了一條全新的技術(shù)路徑。（參考文獻(xiàn)：Akamatsu et al., Science 372, 68–72 (2021)）

圖4. WSe?、BP及其異質(zhì)結(jié)對比：（A-C）.光鏡，（D-F）.光電流映射圖，（G-I）.光電流先掃描圖

3.       光伏效應(yīng)之撓曲光伏

MoS2 覆蓋在VO2納米帶上，研究人員利用掃描光電流顯微鏡對器件進(jìn)行掃描，繪制出光電流的空間分布圖，結(jié)果清晰地顯示：Z強(qiáng)的光電流信號高度集中在VO?納米帶的邊緣區(qū)域，與高應(yīng)變梯度區(qū)域重合。（參考文獻(xiàn)：Gwo et al., Nat Nanotechnol，2021 Aug;16(8):894-901）

圖5. 激光照射下1點(diǎn)、2點(diǎn)和無照度下器件的電流-電壓曲線。插圖為設(shè)備橫截面示意圖。1，2為測量位點(diǎn).（a）. MoS2的E12g模式的拉曼成像結(jié)果 (b). 激光照射下器件的光電流成像結(jié)果

4.       界面分析

掃描光電流技術(shù)憑借約150 nm的高空間分辨率，精準(zhǔn)測繪并定量分析了石墨烯晶體管通道內(nèi)的納米尺度電勢分布。研究發(fā)現(xiàn)，金屬電極（Ti/Pd/Au）會(huì)p型摻雜下方的石墨烯，且該效應(yīng)會(huì)延伸至通道內(nèi)0.2-0.3 μm，從而在n型導(dǎo)通區(qū)沿通道形成了一個(gè)關(guān)鍵的p-n-p結(jié)構(gòu)。通過對光電流分布進(jìn)行數(shù)值積分，研究者定量重構(gòu)了該結(jié)構(gòu)的能帶圖，這直接解釋了石墨烯晶體管中常見的電子與空穴傳導(dǎo)不對稱性——其根源在于p-n結(jié)帶來的額外接觸電阻，而非體材料屬性。此外，該技術(shù)還成功應(yīng)用于探測單層與多層石墨烯界面處的電荷轉(zhuǎn)移與內(nèi)建電場，表明其同樣是研究低維異質(zhì)結(jié)界面電子行為的強(qiáng)大工具。（參考文獻(xiàn)：Mueller et al., PHYSICAL REVIEW B 79, 245430 (2009)）

圖6.（A）. 器件材料不同層數(shù)構(gòu)成（B）. 光電流圖像，除了金屬電極界面處強(qiáng)信號外，在單層和多層界面處（白色虛線）也觀察到了明確的光電流信號，且極性在兩側(cè)界面相反（C）.石墨烯晶體管形貌和掃描光電流響應(yīng)隨柵壓的演化過程

5.       大腦神經(jīng)元電特性

由我們大腦中的亞微米突觸連接的復(fù)雜神經(jīng)元電路需要能夠以超高時(shí)空分辨率映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，以破譯神經(jīng)科學(xué)多個(gè)方面的潛在機(jī)制。通過結(jié)合石墨烯晶體管陣列與掃描光電流顯微鏡，我們可以檢測原始海馬神經(jīng)元的單個(gè)突觸的電活動(dòng)。通過直接在神經(jīng)元過程下測量石墨烯光電探針的局部電導(dǎo)變化，我們能夠估計(jì)去極化過程中單個(gè)突觸的細(xì)胞外電位變化。石墨烯的超快性質(zhì)光電流響應(yīng)允許以亞毫秒時(shí)間分辨率解碼各個(gè)突觸的活動(dòng)模式。這種新的神經(jīng)技術(shù)為記錄神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)突觸的電生理學(xué)結(jié)果提供了有希望的潛力。（參考文獻(xiàn)：Brewer et al., Nano Letters 2018,18(9). 5702–5708）

圖7. （A）具有集成石墨烯晶體管的四腔神經(jīng)元 - 膠質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)微流體裝置的示意圖。（B）掃描光電流測量的示意圖。衍射限制激光光斑穿過透明蓋玻片掃描神經(jīng)元下面的石墨烯。（C）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下的石墨烯晶體管的微分干涉對比度（DIC）。兩個(gè)黑色矩形是位于石墨烯下面的不透明Au電極膜。在培養(yǎng)的第5天，用（d）mCherry-突觸素（紅色）和（E）mCerulean（藍(lán)色）差異轉(zhuǎn)染神經(jīng)元，維持與神經(jīng)膠質(zhì)共培養(yǎng)。部分Ë中品紅色方形區(qū)域的放大熒光圖像：（F）mCerulean（藍(lán)色）; （G）的mCherry-突觸素（紅色）; （H）mCerulean和mCherry的突觸素的重疊; 和（I）GFP-GCaMP6s（綠色）。

通過將細(xì)胞外K +濃度從4 mM 提高到60 mM來研究化學(xué)誘發(fā)的爆發(fā)。DIC和熒光圖像用于識別突觸接觸（圖3A -F），然后激光束聚焦在相應(yīng)的石墨烯 -突觸連接處，每隔50 μs收集光電流響應(yīng)以記錄局部電在交界處的活動(dòng)。

圖6.（A）在培養(yǎng)的第9天，在石墨烯晶體管頂上的神經(jīng)元型態(tài)的DIC圖像。（B）mCherry-突觸素（紅色）; （C）mCerulean（藍(lán)色）; （D）mCerulean和mCherry-synaptophysin的疊加; 和（E）GFP-GCaMP6s（綠色）。（F）部分D中品紅色方形區(qū)域的詳細(xì)熒光和（G）光電流圖像。（H）三個(gè)高K +刺激周期下石墨烯 -突觸連接點(diǎn)（部分F和G中的白色三角形）的光電流響應(yīng)（4）-60-4-60-4-60）。（I）部分H中由品紅色箭頭指示的尖峰脈沖的自發(fā)波形。