扫描光电流成像系统应用

扫描光电流显微镜

扫描光电流显微镜（Scanning PhotoCurrent Microscopy，SPCM）是一种用于检测材料光电流强度分布的高精度设备。该技术结合了光学激发与电学测量，通过逐点扫描激光并同步记录光电流信号，实现对材料表面光电特性的空间分布成像。其核心原理涉及光生载流子的激发、分离与收集，以及信号的空间映射，这一过程可用于测量光电材料的响应信号，从而表征其光电性质。当激光聚焦于材料表面时，入射的光子能量被吸收并产生电子-空穴对（光生载流子）。在内建电场或外加偏压作用下，这些载流子会被有效地分离，形成定向的光电流。扫描光电流显微镜通过“光激发-电响应”的精准空间映射，将材料表面的光电活性可视化，因此成为研究纳米器件中载流子动力学、界面特性及缺陷工程的重要工具。该技术的核心在于高分辨率的光学扫描与微弱电子信号提取之间的有效结合。在拓扑量子材料和柔性光电器件等前沿领域，该技术展现出巨大的应用潜力。

图1.扫描光电流原理图

扫描光电流技术的应用

1.       器件失效分析

钙钛矿太阳能电池的性能会随着时间的推移而衰减，进而导致器件不稳定。传统的电流密度-电压（J-V）曲线测量（如图a所示）仅能从宏观上揭示器件的整体性能参数，如效率和填充因子等，但它无法揭示性能下降的微观根源。

图2.（a）异质结钙钛矿太阳能电池结构 （b）传统J-V曲线

基于扫描光电流显微镜可得到器件表面的光电流分布图。均匀的、高光电流的分布图（如图b所示）代表一个健康、性能良好的器件，其电荷产生和收集效率在整个活性区域都是一致的。而当器件老化失效后，其光电流分布图（如图c和d所示）会变得极不均匀。图中出现的亮红色/黄色斑点代表局部高电流区域，这通常是微小的局部短路点或漏电通道，它们会耗散能量，降低器件的输出电压和填充因子。而大片的蓝色/紫色区域则代表低电流或无电流的“死区”，这些区域的材料可能已降解、钝化或与电极接触不良，无法有效产生或传输电荷，导致整体电流下降。扫描光电流显微镜（SPCM）是一种强大的无损诊断工具。它将宏观的性能衰减（J-V曲线显示效率下降）与微观的、空间上的电流分布不均直接关联起来。通过可视化器件中的漏电点和死区失效点，可为研究人员提供了直观的证据，用以分析导致钙钛矿太阳能电池性能衰退的具体原因（如离子迁移、电极腐蚀、界面降解等），从而为指导材料合成和器件结构优化、提升电池稳定性提供了至关重要的方向。（参考文献：Muehlbrandt et al., RSC Adv., 2017, 7, 42973–42978）

图3.（a）通过J-V曲线量化器件性能 （b-d）.0，7天，28天器件的光电流图

2.       二维异质结构中的自发光伏效应

传统的光伏器件需要依赖人工构建的不对称结构内部的电场来分离光生电荷。而这项研究展示了一种全新的机制：在由两种不同的二维材料（WSe₂和BP）简单堆叠形成的异质结中，无需任何人工建造的PN结，仅凭两种材料界面本身固有的物理性质不对称性，就能在光照下产生方向固定的光电流。这种效应被称为“自发”光伏效应。基于扫描光电流显微镜（SPCM）这一工具来发现和证实这一现象的。如图所示，将一束微小的激光聚焦并扫描整个异质结器件表面，并在零外加偏压的条件下，精确测量每一点产生的光电流大小和方向。SPCM绘制出的光电流分布图直观地显示：在两种材料的重叠区域，即异质结界面处，产生了显著且均匀的光电流信号。这个关键的图像证据直接证明了，界面本身就是一个高效的光电转换活性区。这种自发光伏效应的根源在于异质结界面处天然的对称性破缺。WSe₂和BP具有不同的晶体结构和电子特性，如不同的空间对称性、能带结构等。当它们结合在一起时，界面处会形成一种内在的、方向固定的内建电场。这个内置电场的作用就相当于一个“自动”的电荷分离器，当光照产生电子-空穴对时，该电场会驱动它们定向移动，从而产生净电流。其重要意义在于，它为实现超薄、无需复杂掺杂工艺、性能优异的新型光伏和光电探测器件提供了一条全新的技术路径。（参考文献：Akamatsu et al., Science 372, 68–72 (2021)）

图4. WSe₂、BP及其异质结对比：（A-C）.光镜，（D-F）.光电流映射图，（G-I）.光电流先扫描图

3.       光伏效应之挠曲光伏

MoS2 覆盖在VO2纳米带上，研究人员利用扫描光电流显微镜对器件进行扫描，绘制出光电流的空间分布图，结果清晰地显示：Z强的光电流信号高度集中在VO₂纳米带的边缘区域，与高应变梯度区域重合。（参考文献：Gwo et al., Nat Nanotechnol，2021 Aug;16(8):894-901）

图5. 激光照射下1点、2点和无照度下器件的电流-电压曲线。插图为设备横截面示意图。1，2为测量位点.（a）. MoS2的E12g模式的拉曼成像结果 (b). 激光照射下器件的光电流成像结果

4.       界面分析

扫描光电流技术凭借约150 nm的高空间分辨率，精准测绘并定量分析了石墨烯晶体管通道内的纳米尺度电势分布。研究发现，金属电极（Ti/Pd/Au）会p型掺杂下方的石墨烯，且该效应会延伸至通道内0.2-0.3 μm，从而在n型导通区沿通道形成了一个关键的p-n-p结构。通过对光电流分布进行数值积分，研究者定量重构了该结构的能带图，这直接解释了石墨烯晶体管中常见的电子与空穴传导不对称性——其根源在于p-n结带来的额外接触电阻，而非体材料属性。此外，该技术还成功应用于探测单层与多层石墨烯界面处的电荷转移与内建电场，表明其同样是研究低维异质结界面电子行为的强大工具。（参考文献：Mueller et al., PHYSICAL REVIEW B 79, 245430 (2009)）

图6.（A）. 器件材料不同层数构成（B）. 光电流图像，除了金属电极界面处强信号外，在单层和多层界面处（白色虚线）也观察到了明确的光电流信号，且极性在两侧界面相反（C）.石墨烯晶体管形貌和扫描光电流响应随栅压的演化过程

5.       大脑神经元电特性

由我们大脑中的亚微米突触连接的复杂神经元电路需要能够以超高时空分辨率映射神经网络的技术，以破译神经科学多个方面的潜在机制。通过结合石墨烯晶体管阵列与扫描光电流显微镜，我们可以检测原始海马神经元的单个突触的电活动。通过直接在神经元过程下测量石墨烯光电探针的局部电导变化，我们能够估计去极化过程中单个突触的细胞外电位变化。石墨烯的超快性质光电流响应允许以亚毫秒时间分辨率解码各个突触的活动模式。这种新的神经技术为记录神经网络中单个突触的电生理学结果提供了有希望的潜力。（参考文献：Brewer et al., Nano Letters 2018,18(9). 5702–5708）

图7. （A）具有集成石墨烯晶体管的四腔神经元 - 胶质细胞共培养微流体装置的示意图。（B）扫描光电流测量的示意图。衍射限制激光光斑穿过透明盖玻片扫描神经元下面的石墨烯。（C）神经网络下的石墨烯晶体管的微分干涉对比度（DIC）。两个黑色矩形是位于石墨烯下面的不透明Au电极膜。在培养的第5天，用（d）mCherry-突触素（红色）和（E）mCerulean（蓝色）差异转染神经元，维持与神经胶质共培养。部分Ë中品红色方形区域的放大荧光图像：（F）mCerulean（蓝色）; （G）的mCherry-突触素（红色）; （H）mCerulean和mCherry的突触素的重叠; 和（I）GFP-GCaMP6s（绿色）。

通过将细胞外K +浓度从4 mM 提高到60 mM来研究化学诱发的爆发。DIC和荧光图像用于识别突触接触（图3A -F），然后激光束聚焦在相应的石墨烯 -突触连接处，每隔50 μs收集光电流响应以记录局部电在交界处的活动。

图6.（A）在培养的第9天，在石墨烯晶体管顶上的神经元型态的DIC图像。（B）mCherry-突触素（红色）; （C）mCerulean（蓝色）; （D）mCerulean和mCherry-synaptophysin的叠加; 和（E）GFP-GCaMP6s（绿色）。（F）部分D中品红色方形区域的详细荧光和（G）光电流图像。（H）三个高K +刺激周期下石墨烯 -突触连接点（部分F和G中的白色三角形）的光电流响应（4）-60-4-60-4-60）。（I）部分H中由品红色箭头指示的尖峰脉冲的自发波形。