一种含有二硫化钼(棒和球)的场效应晶体管(该器件)，掺杂有进行电荷转移的纯核量子点(左变焦;电荷转移显示为火花)和核/壳量子点进行能量转移(右变焦;能量传递表现为从量子点到二硫化钼的波动)。
图片来源:布鲁克海文国家实验室
美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)科学用户设施办公室的功能性纳米材料中心(Center for Functional Nanomaterials, CFN)的科学家利用光电成像技术研究了暴露在光下的原子薄纳米材料的电子行为。与纳米光学成像相结合，这种扫描光电流显微镜技术为理解这些材料中影响电流(光电流)产生的过程提供了一个强有力的工具。这种理解是提高太阳能电池、光学传感器、发光二极管(led)和其他光电器件性能的关键。光电器件依赖于光物质的相互作用，将光转化为电信号，反之亦然。
CFN材料科学家Mircea Cotlet在5月17日发表的《高级功能材料》(Advanced Functional materials)论文中说:“任何想知道光诱导电流如何在半导体中分布的人都将受益于这种能力。”
产生电流
当受到光线照射时，半导体(介于金属和绝缘体之间具有电阻的材料)会产生电流。由一层或几层原子组成的半导体——例如石墨烯(石墨烯有一层碳原子)——对下一代光电元件特别感兴趣，因为它们对光的敏感性可以控制改变它们的电导率和机械灵活性。然而，原子薄半导体能够吸收的光量是有限的，因此限制了材料对光的反应。
为了增强这些二维(2D)材料的采光特性，科学家们在这层材料中加入了称为量子点的微型(直径10-50个原子)半导体粒子。由此产生的“混合”纳米材料不仅能吸收更多的光，而且在两种成分相遇的界面上也有相互作用。根据量子点的大小和组成，光激发量子点将把电荷或能量传递给二维材料。了解这两个过程如何影响混合材料在不同光和电条件下的光电流响应，如入射光的强度和施加的电压，对于设计具有特定应用特性的光电器件非常重要。
“光电探测器能感应到极低的光，并将光转换成电信号，”Cotlet解释道。“另一方面，光伏设备如太阳能电池被制造来吸收尽可能多的光来产生电流。为了设计一种用于光探测或光电应用的设备，我们需要知道这两个过程中的哪一个——电荷或能量转移——是有益的。
点亮电荷和能量传递过程
在这项研究中，CFN的科学家们将原子薄的二硫化钼和量子点结合在一起。二硫化钼是过渡金属二硫族化合物中的一种，它是一种半导体化合物，与过渡金属(在本例中是钼)层夹在一个硫族元素(在本例中是硫)的两层薄层之间。为了控制界面间的相互作用，他们设计了两种量子点:一种是支持电荷转移的组合，另一种是支持能量转移的组合。
CFN研究助理、第一作者李明星解释说:“这两种物质的核心都含有硒化镉，但其中一种物质的核心被一层硫化锌包围。”“外壳是一个物理隔离器，可以防止电荷转移。核-壳量子点促进能量转移，而核-壳量子点促进电荷转移。
科学家们利用CFN纳米制造设备的洁净室来制造混合纳米材料的装置。为了描述这些设备的性能，他们利用现有设备和CFN物理学家和合著者Percy Zahl开发的开源GXSM仪器控制软件进行了扫描光电流显微镜研究。在扫描光电流显微镜下，当光电流在不同的点上被测量时，激光束在设备上被扫描。所有这些点结合在一起形成一个电流“地图”。由于电荷和能量的传递具有不同的电子特征，科学家可以使用这种技术来确定在观测到的光电流响应背后的过程。
本研究中的图谱显示，只有核混合器件(电荷转移)的低光照射时光电流响应最高，而核壳混合器件(能量转移)的高光照射时光电流响应最高。这些结果表明，电荷转移对光电探测器的功能极为有利，而能量转移是光伏应用的首选。
“仅通过光学技术(如光致发光寿命成像显微镜)来区分能量和电荷转移是具有挑战性的，因为这两个过程都将发光寿命缩短到相似的程度，”CFN材料科学家和共同通讯作者常永南说。“我们的研究表明，结合局部光激发和光电流产生的光电测量不仅能清楚地识别每个过程，而且还能表明适合每种情况的潜在光电器件应用。”
Cotlet说:“在CFN中，我们通过实验来研究纳米材料在实际操作条件下是如何发挥作用的。””在这种情况下,我们结合软纳米材料和生物组织的光学技术,设备制造和电气特性电子纳米材料集团的专业知识和软件接口的技术科学和催化组在CFN开发能力,将使科学家能够研究光电过程的二维材料。新扫描光电流显微镜设备现已向CFN用户开放，我们希望这项功能能吸引更多的用户使用CFN制造和表征设备，以研究和提高光电器件的性能。
——文章发布于2018年5月23日
