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薄膜型光電器件，包括光伏電池、光電探測器等光電轉(zhuǎn)換器件和發(fā)光二極管、激光器等電光轉(zhuǎn)換器件，通常是由夾在底電極和頂電極之間的多層薄膜垂直堆疊組成的封閉結(jié)構(gòu)。此類器件的能帶結(jié)構(gòu)不僅決定于各層材料本身的能帶，而且取決于各層之間的界面效應(yīng)，是影響載流子傳輸，進(jìn)而決定器件性能的關(guān)鍵因素之一。如何準(zhǔn)確獲取此類垂直封閉型器件的能帶結(jié)構(gòu)極具挑戰(zhàn)性，特別是在器件實際工作狀況下。
中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所光電界面團(tuán)隊發(fā)展了橫截面開爾文探針顯微鏡技術(shù)（SKPM），突破了垂直封閉構(gòu)型限制，實現(xiàn)了薄膜光電器件工況下界面能帶結(jié)構(gòu)的動態(tài)表征，解析了器件未知工作機(jī)理，取得了系列研究成果。
近期，該團(tuán)隊等將橫截面SKPM應(yīng)用于薄膜光電探測器，解析了器件的倍增機(jī)理。該研究利用溶液工藝制備的薄膜型光電探測器不僅具有成本低、重量輕、柔性等優(yōu)勢，而且展現(xiàn)出較高的增益，有時甚至超過商品化的雪崩二極管，引起了廣泛關(guān)注。但是，此類器件的倍增機(jī)理一直以來存在爭議，主要瓶頸在于缺乏有效的實驗論證。該團(tuán)隊通過橫截面SKPM動態(tài)追蹤了暗態(tài)、光照和反偏壓下器件能帶結(jié)構(gòu)的演化過程，證實界面電荷陷阱、光照和反偏壓三者協(xié)同誘導(dǎo)的界面能帶彎曲，能夠有效降低空穴注入勢壘，引起大量的空穴注入。由于注入電流相比光照產(chǎn)生的電流高數(shù)個數(shù)量級，兩者疊加從而產(chǎn)生非常高的增益。相關(guān)文章以In-operando visualization of interfacial band bending in photomultiplying organic photodetectors為題，發(fā)表在Nano Letters上。
雖然橫截面SKPM在薄膜光電器件機(jī)理解析方面作用顯著，但由于探針懸梁臂串?dāng)_引起的系統(tǒng)性誤差，常使得測量精準(zhǔn)度大打折扣。為此，該團(tuán)隊提出了激發(fā)探針二階共振頻的方式優(yōu)化探針振蕩動力學(xué)，有效抑制懸梁臂串?dāng)_效應(yīng)，從而大幅提高測量精準(zhǔn)度。通過有限元數(shù)值模擬證實，二階頻下懸臂梁的自由端存在一個固定的節(jié)點，其左右兩端的位移方向相反，使得懸臂梁所做的虛功自我抵消，是減小懸臂梁串?dāng)_的關(guān)鍵。相關(guān)文章以Quantitative amplitude-modulation scanning Kelvin probe microscopy via the second eigenmode excitation為題，發(fā)表在Ultramicroscopy上。
相關(guān)研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、科學(xué)技術(shù)部重點研發(fā)計劃、江蘇省自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和科研裝備研制項目、蘇州納米協(xié)同創(chuàng)新中心，以及蘇州納米所的支持。
（來源：中科院之聲 原題《科研人員解析薄膜光電探測器倍增機(jī)理》）
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