陈琪、陈立桅等成功解析薄膜光电探测器倍增机理

shadan

薄膜型光电器件，包括光伏电池、光电探测器等光电转换器件和发光二极管，激光器等电光转换器件，通常是由夹在底电极和顶电极之间的多层薄膜垂直堆叠组成的封闭结构。此类器件的能带结构不仅决定于各层材料本身的能带，而且取决于各层之间的界面效应，是影响载流子传输，进而决定器件性能的关键因素之一。如何准确获取此类垂直封闭型器件的能带结构极具挑战性，特别是在器件实际工作状况下。
　　中科院苏州纳米所光电界面团队发展了横截面开尔文探针显微镜技术（SKPM），突破了垂直封闭构型限制，实现了薄膜光电器件工况下界面能带结构的动态表征，成功解析了器件未知工作机理，取得了系列研究成果（Nat. Commun. 11, 5585 (2020)，J. Am. Chem. Soc. 142, 18281 (2020)，Nat. Commun. 10, 4593 (2019)，Adv. Mater. 30, 1802490 (2018)， Nano Energy 40, 454 (2017)，Nano Lett. 17, 3231 (2017)，Nat. Commun. 6, 7745 (2015)）。
　　近期，该团队将横截面SKPM应用于薄膜光电探测器，成功解析了器件的倍增机理。利用溶液工艺制备的薄膜型光电探测器不仅具有成本低、重量轻、柔性等优势，而且展现出较高的增益，有时甚至超过商品化的雪崩二极管，引起了广泛关注。但是，此类器件的倍增机理一直以来存在争议，主要瓶颈在于缺乏有效的实验论证。该团队通过横截面SKPM动态追踪了暗态、光照和反偏压下器件能带结构的演化过程，证实界面电荷陷阱，光照和反偏压三者协同诱导的界面能带弯曲，能够有效降低空穴注入势垒，引起大量的空穴注入。由于注入电流相比光照产生的电流高数个数量级，两者叠加从而产生非常高的增益。相关文章以“In-operando visualization of interfacial band bending in photomultiplying organic photodetectors”为题，发表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03185)上。文章的第一作者是王成博士，通讯作者是陈琪研究员，陈立桅研究员，合作者包括赖君奇博士和北京交通大学张福俊教授。

　　图1 动态追踪倍增型光电探测器界面能带结构

　　虽然横截面SKPM在薄膜光电器件机理解析方面作用显著，但由于探针悬梁臂串扰引起的系统性误差，常使得测量精准度大打折扣。为此，该团队提出了激发探针二阶共振频的方式优化探针振荡动力学，有效抑制悬梁臂串扰效应，从而大幅提高测量精准度。通过有限元数值模拟证实，二阶频下悬臂梁的自由端存在一个固定的节点，其左右两端的位移方向相反，使得悬臂梁所做的虚功自我抵消，是减小悬臂梁串扰的关键。相关文章以“Quantitative amplitude-modulation scanning Kelvin probe microscopy via the second eigenmode excitation”为题，发表在Ultramicroscopy (DOI: 10.1016/j.ultramic.2021.113399)上。文章的第一作者是赖君奇博士和王成博士，通讯作者是陈琪研究员，陈立桅研究员，合作者包括器件部陆书龙研究员，邢志伟博士。

　　图2 优化振荡动力学提高横截面开尔文探针测量精准度

　　相关研究工作得到了国内外合作者的大力支持，受到国家自然科学基金、科技部重点研发计划，江苏省自然科学基金，中科院先导专项和科研装备研制项目，苏州纳米协同创新中心，以及苏州纳米所的经费资助与研发条件支持。


       文章来源：苏州纳米所
       陈琪，研究员，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。2008年获郑州大学理学学士学位，2014年获中国科学技术大学理学博士学位。2014-2017年在中科院苏州纳米所和美国华盛顿大学从事博士后研究，2017-2020年任中科院苏州纳米所副研究员，2021年晋升为研究员。研究领域为新能源、新型显示和光电子等器件中界面结构与性质的原位、工况表征技术。自主研发的横截面工况探针显微术填补了国内外相关领域的空白，将新能源、新型显示和光电子等器件中包埋界面势垒的无损检测从不可能变成可能，成功解析了器件中的系列基础科学问题，并助力高新技术产业化应用。迄今在NatureCommun.，J. Am. Chem.Soc.，Adv. Mater.，Nano Lett.等期刊发表论文40余篇，被引用1200余次。作为项目负责人承担国家自然科学基金项目4项，龙头企业合作项目4项；作为项目骨干参与国家、省部、地市级项目10余项。担任NatureCommun.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，《科学通报》，《物理化学学报》等期刊审稿人。
       陈立桅，苏州纳米所研究员。1993年获中国科技大学材料系学士学位，1996年获北京大学化学院硕士学位， 2001年获美国哈佛大学博士学位。2001-2004年于美国哥伦比亚大学纳米中心和 IBM T.J. Waston 研究中心作联合博士后研究。2004-2008年任美国俄亥俄大学化学与生物化学系tenure track助理教授。2008年12月受聘回国担任中国科学院苏州纳米所研究员，入选中国科学院 “百人计划”。2016年获基金委杰出青年科学基金资助。2018年入选“万人计划”创新领军人才。