Microscópio de corrente óptica de varredura

Microscópio de corrente óptica de varredura (varredurafotoatualMicroscopia，SPCMÉ um dispositivo de alta precisão para detectar a distribuição de intensidade de corrente óptica de materiais. A tecnologia combina excitação óptica e medição elétrica para obter imagens de distribuição espacial das propriedades fotoelétricas da superfície do material através da varredura do laser ponto a ponto e do registro sincronizado do sinal de corrente óptica. Seus princípios fundamentais envolvem a excitação, separação e coleta de veículos fotobióticos e o mapeamento espacial de sinais, um processo que pode ser usado para medir o sinal de resposta de materiais fotoelétricos e, assim, caracterizar suas propriedades fotoelétricas. Quando o laser se concentra na superfície do material, a energia de fótons entrantes é absorvida e produz eletrões.-par de buracos vazios (portadores fotogênicos). Com campos elétricos internos ou sobretensão, esses transportadores são separados de forma eficaz para formar correntes fotovoltaicas direcionadas. Microscópio de corrente óptica de varredura“Luz estimulada-Resposta elétrica”O mapeamento espacial preciso visualiza a atividade fotoeletrônica da superfície do material e, portanto, torna-se uma ferramenta importante para estudar a dinâmica dos condutores, as propriedades da interface e a engenharia de defeitos em nanodispositivos. O núcleo da tecnologia é a combinação eficaz entre varredura óptica de alta resolução e extração de sinais eletrônicos fracos. Em áreas de ponta como materiais quânticos topológicos e dispositivos fotoelétricos flexíveis, a tecnologia apresenta um enorme potencial de aplicação.

Gráfico1.Esquema de corrente óptica de varredura

Aplicações de tecnologia de varredura de corrente óptica

1. Análise de falha do dispositivo

O desempenho das células solares de perovskite será com o tempoA progressãoDeclínio,E depois...causando instabilidade do dispositivo. Densidade de corrente tradicional-Tensão (J-VMedição da curva)ComoGráficoummostradoApenas parâmetros de desempenho globais do dispositivo, como eficiência, podem ser revelados a nível macroeFator de preenchimentoEsperem.Mas não pode revelar as causas microscópicas da queda do desempenho.

Gráfico2.（umEstrutura de células solares de perovskita heterogênica （b) O(Tradição)J-VCurvas

baseadoMicroscópio de corrente óptica de varreduraDisponívelDistribuição de corrente óptica na superfície do dispositivo- É.Distribuição uniforme de alta corrente de luz (como na imagem)b) OmostradoRepresenta um dispositivo saudável e de bom desempenho, cuja eficiência de geração e coleta de carga é consistente em toda a área ativa. Quando o envelhecimento do dispositivo falha, sua distribuição de corrente óptica (como na figura)(c)edmostradotorna-se extremamente desigual. Vermelho brilhante que aparece na imagem/As manchas amarelas representam áreas locais de alta corrente, que geralmente são pequenos pontos de curto-circuito locais ou canais de vazamento que dissipam energia e reduzem a tensão de saída e o fator de enchimento do dispositivo. E um grande azul./A área roxa representa baixa ou nenhuma corrente.“Zona Morta”Os materiais nessas áreas podem estar degradados, passivados ou em mau contato com os eletrodos, incapazes de gerar ou transmitir efetivamente cargas elétricas, resultando em uma queda de corrente geral. Microscópio de corrente óptica de varredura (SPCMÉ uma poderosa ferramenta de diagnóstico sem danos. Isso diminui o desempenho macro (J-VCurvas que mostram redução na eficiência) estão diretamente associadas à distribuição microscópica e espacial desigual da corrente. Visualizando pontos de vazamento e pontos de falha de zona morta no dispositivo,Pode.Fornece aos pesquisadores evidências intuitivas para analisar as causas específicas do declínio do desempenho das células solares de perovskite (por exemplo, migração de íons, corrosão de eletrodos, degradação de interfaces, etc.), fornecendo uma direção crucial para orientar a síntese de materiais e otimização da estrutura do dispositivo, melhorando a estabilidade da bateria(Referência:Muehlbrandtet al.,RSC Adv., 2017, 7, 42973–42978）

Gráfico3.（um(Aprovação)J-VDesempenho do dispositivo de quantificação de curvas （b-d）.0，7Meu Deus.28Diagrama de fluxo óptico para dispositivos de dia

2. Efeitos fotovoltaicos espontâneos em estruturas heterogêneas bidimensionais

Os dispositivos fotovoltaicos tradicionais precisam confiar em campos elétricos dentro de estruturas asimétricas construídas artificialmente para separar as cargas fotobiológicas. E este estudo mostra um mecanismo totalmente novo: a formação de dois materiais bidimensionais diferentes (WSe₂eBPSimplesmente empilhado para formar nódulos heterogêneros, sem necessidade de qualquer construção artificialPNEm conclusão, apenas pela assimetria das propriedades físicas inerentes à própria interface de dois materiais, pode gerar uma corrente óptica fixa na direção sob a luz. Esse efeito é chamado“espontânea”Efeito fotovoltaico. Microscópio de corrente óptica de varredura (SPCMEsta ferramenta para descobrir e confirmar este fenômeno. Como mostrado na imagem, um pequeno feixe de laser é focado e varrido por toda a superfície do dispositivo de ligação heterogênea, medindo com precisão o tamanho e a direção da corrente óptica gerada por cada ponto em condições de distância zero mais.SPCMO mapa de distribuição de corrente óptica desenhado mostra intuitivamente: na área de sobreposição de dois materiais, ou seja, na interface de ligações heterogêneas, asinal de corrente óptica significativa e uniforme. Essa evidência fotográfica crítica demonstra diretamente que a interface em si é uma área ativa de conversão fotoelétrica altamente eficiente. A raiz desse efeito fotovoltaico espontâneo está na ruptura natural de simetria na interface de ligações heterogêneas.WSe₂eBPTem diferentes estruturas cristalinas e propriedades eletrônicas, tais como diferentes simetrias espaciais, estruturas de faixas energéticas, etc. Quando se juntam, formam um campo elétrico interno fixo na interface. Este campo elétrico é equivalente a um“automático”O separador de carga quando a luz produz eletrões-Quando os buracos são emparelhados, o campo elétrico os impulsiona a se mover direcionalmente, gerando uma corrente líquida. Isso é importante porque oferece um novo caminho tecnológico para novos dispositivos de detecção fotovoltaicos e fotoelétricos ultrafinos, sem processos de dopagem complexos e de excelente desempenho.(Referência:Akamatsuet al.,Ciência 372, 68–72 (2021)）

Gráfico4. WSe₂eBPE sua comparação heterogênea:(A-C）.Espelho, (D-F）.Mapa de corrente óptica,G-I）.Scane primeiro o mapa de corrente óptica

3. Efeito fotovoltaicoTorca a luzVolta

MoS2 éCoberto emVO2Na nanobanda, os pesquisadores usaram um microscópio de varredura de corrente óptica para varredura do dispositivo e mapear a distribuição espacial da corrente óptica, mostrando claramente que o sinal de corrente óptica forte Z é altamente concentrado emVO₂Nanocintasárea de borda, que coincide com a área de alto gradiente de tensão.(Referência:Grandeeao.,NatNanotecnologia，2021 Agosto; 16(8):894-901）

Gráfico5. Sob o laser1ponto,2Corrente do dispositivo em ponto e sem iluminação-Curva de tensão. A ilustração é um esquema em seção transversal do dispositivo.1，2Para medir o local.（um）. MoS2doO E12gResultados de imagem Raman padrãob).Resultados de imagem fotoelétrica de dispositivos expostos a laser

4. Análise da interface

Tecnologia de corrente óptica de varredura com cerca dede 150 nmdoEspaço altoResolução, mapeamento preciso e análise quantitativa do grafitoEnoDistribuição de potencial em nanoescala dentro de um canal de transistor. O estudo descobriu que o eletrodo metálicoTi / Pd / Au(SerápTipo dopado por baixo do grafeno, e o efeito se estende para dentro do canal0.2-0.3milímetrosAssim, emnTipoZona de condução ao longo do canalForam formadas uma chavep-n-pEstrutura. Ao integrar numericamente a distribuição de corrente óptica, os pesquisadores reconstruíram quantitativamente o mapa de banda da estrutura, o que explica diretamente o grafite.EnoAsimetrias comuns de condução de eletrões e buracos em transistores——Suas raízes estãop-nTraga o nó.resistência de contato adicional, em vez deMateriaispropriedades materiais. Além disso, a tecnologia foi aplicada com sucesso para a detecção de grafito de camadas únicas e múltiplas.EnoA transferência de carga elétrica na interface e o campo elétrico incorporado sugerem que é igualmente uma ferramenta poderosa para estudar o comportamento eletrônico de interfaces de ligações heterométricas de baixa dimensão.(Referência:Muelleret al.,REVISÃO FÍSICA B 79, 245430 (2009)）

Gráfico6.（Um）. Materiais do dispositivoComposições diferentes (O B）. Imagens de corrente óptica, exceto eletrodos metálicosForte sinal na interfacefora, noCamada única e múltiplaUm sinal claro de corrente fotoeléctrica também foi observado na interface (linha branca traçada), com polaridades opostas em ambos os lados da interface.（O C）.GrafetoEnoTransistoresaparência edigitalizarResposta de corrente ópticaPressão da portaProcesso de evolução

5. Neurónios do cérebrocaracterística

Circuitos neurônicos complexos conectados por sinapsis submicrônicas em nossos cérebros exigem tecnologias capazes de mapear redes neurais em resoluções espaciotemporais ultraaltas para descifrar mecanismos subjacentes em vários aspectos da neurociência. Combinando uma matriz de transistores de grafeno com um microscópio de corrente óptica de varredura, podemos detectar a atividade elétrica de sinapses individuais de neurônios do hipocampo primitivos. Medindo as mudanças na condutividade local da sonda fotoeletrônica de grafeno diretamente durante o processo neurônico, somos capazes de estimar as mudanças no potencial extracelular de uma única sinapse durante o processo de despolarização. A natureza ultra-rápida da resposta fotoelétrica do grafeno permite decodificar os padrões de atividade de cada sinapse em resoluções temporais submilissegundos. Essa nova tecnologia neurológica oferece potencial promissor para registrar resultados eletrofisiológicos de sinapses individuais em redes neuronais.(Referência:Cervejeiroet al.,Nano Cartas 2018,18(9). 5702–5708）

Gráfico7. （Umcom grafite integradoEnoOs neurônios de quatro cavidades do transistor-Esquema de dispositivos de microfluidos para co-cultura de células gliais. （O BEsquema de medição de corrente óptica de varredura. A difração limita a mancha do laser através de um slide transparente para escanear o grafeno abaixo dos neurônios. （O CContraste de interferência diferencial de transistores de grafeno sob a rede neural (DIC). Dois retângulos pretos são opacos abaixo do grafenoAuFilme de eletrodos. No cultivo da5Deus, usar (d）mCherry-Sinaptonas (vermelhas) e (E）mCeruleano(azul) diferença transfecta os neurônios, mantendo a co-cultura com a glia. ParteUh...Imagem fluorescente ampliada da área quadrada vermelha de qualidade média:(O F）mCeruleano(Azul);（O Gde)mCherry-Sinaptonas (vermelho);（O H）mCeruleanoemCherrySobrepósito das sinapsis;e (Eu）GFP-GCaMP6s(Verde).

Extraindo as célulasK +Concentração de4 mMAumentar para60 mMpara estudar explosões provocadas por químicos.DICe imagens fluorescentes para o reconhecimento de contato sinaptico (Figura3A-Fem seguida, o raio laser focado no grafeno correspondente-Conexões sinápticas, cada50 μsRecolha de respostas de corrente óptica para registrar a atividade de eletricidade local na intersecção- É.

Gráfico6.（Um(No cultivo9Dia, o tipo de neurônio no topo do transistor de grafenoDICImagens. （O B）mCherry-Sinaptonas (vermelho);（O C）mCeruleano(Azul);（D）mCeruleanoemCherrysinaptofisinasuperposição;e (E）GFP-GCaMP6s(Verde). （O F(Parte)DFluorescença detalhada da área quadrada vermelha de qualidade média e (O GImagens de corrente óptica. （O HTrês altosK +Ciclo de estimulação do grafeno-Ponto de conexão sináptica (parcial)O FeO Gem triângulo branco) resposta fotoelétrica(4）-60-4-60-4-60). （Eu(Parte)O HA forma de onda espontânea do pico de pulso indicado pela seta vermelha.