Forståelse af genereringen af ​​lys-induceret elektrisk strøm i atomisk tynde nanomaterialer

Forskere ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory - har brugt en optoelektronisk billedbehandlingsteknik til at studere den elektroniske adfærd af atomisk tynde nanomaterialer udsat for lys. Kombineret med nanoskala optisk billeddannelse, denne scanningsfotostrømmikroskopi-teknik giver et kraftfuldt værktøj til at forstå de processer, der påvirker genereringen af ​​elektrisk strøm (fotostrøm) i disse materialer. En sådan forståelse er nøglen til at forbedre ydeevnen af ​​solceller, optiske sensorer, lysemitterende dioder (LED'er), og anden optoelektronik – elektroniske enheder, der er afhængige af lys-stof-interaktioner for at konvertere lys til elektriske signaler eller omvendt.

"Enhver, der ønsker at vide, hvordan lysinduceret elektrisk strøm fordeles over en halvleder, vil drage fordel af denne evne, " sagde CFN-materialeforsker Mircea Cotlet, medkorresponderende forfatter på papiret Advanced Functional Materials den 17. maj, der beskriver arbejdet.

Generering af en elektrisk strøm

Når det rammes med lys, halvledere (materialer, der har en elektrisk modstand mellem den af ​​metaller og isolatorer) genererer en elektrisk strøm. Halvledere, der består af et lag eller nogle få lag af atomer - f.eks. grafen, som har et enkelt lag af kulstofatomer - er af særlig interesse for næste generation af optoelektronik på grund af deres følsomhed over for lys, som kontrollerbart kan ændre deres elektriske ledningsevne og mekaniske fleksibilitet. Imidlertid, mængden af ​​lys, som atomisk tynde halvledere kan absorbere, er begrænset, dermed begrænser materialernes respons på lys.

For at forbedre lyshøstningsegenskaberne af disse todimensionelle (2-D) materialer, videnskabsmænd tilføjer små (10-50 atomer i diameter) halvledende partikler kaldet kvanteprikker i laget/lagene. De resulterende "hybride" nanomaterialer absorberer ikke kun mere lys, men har også interaktioner, der forekommer ved grænsefladen, hvor de to komponenter mødes. Afhængigt af deres størrelse og sammensætning, de lysexciterede kvanteprikker vil overføre enten ladning eller energi til 2D-materialet. At vide, hvordan disse to processer påvirker hybridmaterialets fotostrømrespons under forskellige optiske og elektriske forhold - såsom intensiteten af ​​det indkommende lys og påført spænding - er vigtigt for at designe optoelektroniske enheder med egenskaber, der er skræddersyet til særlige applikationer.

"Fotodetektorer registrerer et ekstremt lavt lysniveau og konverterer det lys til et elektrisk signal, " forklarede Cotlet. "På den anden side, fotovoltaiske enheder såsom solceller er lavet til at absorbere så meget lys som muligt for at producere en elektrisk strøm. For at designe en enhed, der fungerer til fotodetektion eller fotovoltaiske applikationer, vi skal vide, hvilken af ​​de to processer - ladning eller energioverførsel - der er gavnlig."

Belysning af ladnings- og energioverførselsprocesser

I dette studie, CFN-forskerne kombinerede atomisk tyndt molybdændisulfid med kvanteprikker. Molybdændisulfid er et af overgangsmetallets dichalcogenider, halvledende forbindelser med et overgangsmetal (i dette tilfælde, molybdæn) lag klemt mellem to tynde lag af et kalkogen-element (i dette tilfælde, svovl). For at kontrollere grænsefladeinteraktionerne, de designede to slags kvanteprikker:en med en sammensætning, der favoriserer ladningsoverførsel og den anden med en sammensætning, der favoriserer energioverførsel.

"Begge typer har cadmiumselenid i deres kerne, men en af ​​kernerne er omgivet af en skal af zinksulfid, " forklarede CFN-forsker og førsteforfatter Mingxing Li. "Skallen er en fysisk spacer, der forhindrer ladningsoverførsel i at ske. Kerne-skal kvanteprikker fremmer energioverførsel, hvorimod de kun kerne-kvanteprikker fremmer ladningsoverførsel."

Forskerne brugte renrummet i CFN Nanofabrication Facility til at lave enheder med de hybride nanomaterialer. For at karakterisere ydeevnen af ​​disse enheder, de udførte scannende fotostrømmikroskopiundersøgelser med et optisk mikroskop bygget internt ved hjælp af eksisterende udstyr og open source GXSM instrumentkontrolsoftware udviklet af CFN-fysiker og medforfatter Percy Zahl. Ved scanning af fotostrømmikroskopi, en laserstråle scannes hen over enheden, mens fotostrømmen måles på forskellige punkter. Alle disse punkter kombineres for at producere et "kort" af elektrisk strøm. Fordi ladning og energioverførsel har forskellige elektriske signaturer, videnskabsmænd kan bruge denne teknik til at bestemme, hvilken proces der ligger bag den observerede fotostrømrespons.

Kortene i denne undersøgelse afslørede, at fotostrømresponsen var højest ved lav lyseksponering for den hybride enhed med kun kerne (ladningsoverførsel) og ved høj lyseksponering for kerne-skal hybridenheden (energioverførsel). Disse resultater tyder på, at ladningsoverførsel er yderst gavnlig for enheden, der fungerer som en fotodetektor, og energioverførsel foretrækkes til fotovoltaiske applikationer.

"Skelne energi- og ladningsoverførsler udelukkende ved hjælp af optiske teknikker, såsom fotoluminescens livstids billeddannelsesmikroskopi, er udfordrende, fordi begge processer reducerer luminescenslevetiden i samme grad, " sagde CFN-materialeforsker og co-korresponderende forfatter Chang-Yong Nam. "Vores undersøgelse viser, at optoelektroniske målinger, der kombinerer lokaliseret optisk excitation og fotostrømgenerering, ikke kun tydeligt kan identificere hver proces, men også foreslå potentielle optoelektroniske enhedsapplikationer, der passer til hvert enkelt tilfælde."

"Hos CFN, vi udfører eksperimenter for at studere, hvordan nanomaterialer fungerer under virkelige driftsforhold, " sagde Cotlet. "I dette tilfælde, vi kombinerede den optiske ekspertise fra Soft and Bio Nanomaterials Group, ekspertise inden for fremstilling af enheder og elektrisk karakterisering af Electronic Nanomaterials Group, og softwareekspertise fra Interface Science and Catalysis Group til at udvikle en kapacitet på CFN, der vil gøre det muligt for forskere at studere optoelektroniske processer i en række 2-D materialer. Den nye scanningsfotostrømmikroskopifacilitet er nu åben for CFN-brugere, og vi håber, at denne evne vil trække flere brugere til CFN-fabrikations- og karakteriseringsfaciliteterne for at studere og forbedre ydeevnen af ​​optoelektroniske enheder."