促进感光材料研究的创新

光致电性质描述了一大类现象，其中光和物质的相互作用可以被用来利用电能。外光电效应开始在1887年被描述，并自此得到了广泛的研究。如今，这一研究以及相关的内光电效应催生了一大类技术，这些技术广泛应用于日常电子设备中的半导体到光伏应用等各个领域。为了推动现代光电子器件的微型化，需要对光活性半导体的导电性进行纳米尺度的研究。对于用于光伏应用（如太阳能电池）的光活性半导体，其局部导电性强烈依赖于光照。如果光子能量大于吸收器的带隙，这样的半导体将吸收光。在这种情况下，电子从其价带中的束缚态跃迁到导带，在那里它作为自由电荷载体并因此增加材料的导电性。因此，可以通过导电性的变化来测量光活性半导体的吸收特性。

图1. PCM实验设置的示意图，放大了投射到针尖-样品接触位置的外部PCM激光。反馈控制器确保针尖-样品接触力的稳定，而放大器则测量在给定的样品偏压和光激发下针尖和样品之间的电流流动。

Park Systems通过在导电原子力显微镜中添加可调激光，实现了在纳米级分辨率下测量针尖下局部电流的同时，还能实现聚焦光激发，时间分辨率低至数十微秒。这种光电流映射（PCM）模式以逐点的方式成像光致电流，并可以捕获给定样品的电流衰减长度或其他时间依赖的光电性质。为了针对广泛范围的样品全面定制实验，PCM模式可以使用三种不同波长的单色激光（785 nm、635 nm和450 nm）进行。此外，Park Systems的SmartScan软件可以方便地控制激光曝光参数和映射条件，并允许在关闭反馈SLD的情况下测量所谓的“ dark C-AFM”。图1展示了PCM设置的示意图。在这里，外部PCM激光聚焦在针尖和样品之间的接触区域。激光模块相对于表面倾斜，以避免悬臂梁造成的任何硬件干扰或阴影效应，从而确保光束路径畅通无阻。图2描绘了在给定像素处进行单次光电流测量时的典型数据集。每次测量都可以根据特定要求进行定制，包括在测量前应用短负偏压脉冲以清除所有剩余电荷（A），自定义偏压应用（C）和照明（E）的持续时间，以及偏压应用（B）和照明（D）之间的灵活时间段。绿色曲线显示了施加的样品偏压，黄色线表示随时间变化的照明。时间分辨电流由红色曲线表示。当应用负偏压脉冲（A）时，针尖和样品之间会流过负电流。相应地，当应用正偏压（C）时，会记录正电流。在激光脉冲（E）期间，样品吸收光子并将电子提升到导带中，从而创造更多的自由电荷载体，进而增加导电性。因此，在照明下测量的电流会增加。当激光关闭后，光激发的电荷载体数量会随时间减少，这反映在时间依赖的光电流衰减中，直到电流恢复到激光脉冲前的初始水平。

图2. 显示了在单一像素上进行的典型光电流测量。绿色曲线显示了施加的样品偏压，黄色曲线显示了激光照明，红色曲线描绘了随时间变化的相应测量电流。一个放大的图形显示了照明时的电流变化以及之后的电流衰减。

图3显示了对铅卤化物钙钛矿的一组测量，该钙钛矿用作薄膜太阳能电池的光子吸收材料。在图3（a）和（b）中，初始的大规模形貌和C-AFM图像是同时记录的，施加的样品偏压为2V，以识别后续PCM测量中感兴趣的区域。PCM在突出显示的区域内进行，图像大小为0.5 × 0.5 μm²，像素为16 × 16。图3（c）是无光激发的电流体积图像和带光激发的光电流体积图像的并列图。在这里，电压偏压、激光照明和电流是随时间测量的，对应于形貌2D图像的每个像素。当以相同的颜色刻度范围显示两个体积图像时，很明显，与没有照明的电流体积图像相比，PCM激光的照明导致检测到的电流水平显著增加。图3（d）中的光谱数据集显示，在绿色指示的像素上，PCM激光曝光后电流增加了约70 nA。图4（下一页）展示了在光活性钙钛矿材料上进行光电流测量的另一个示例。在这里，没有使用PCM模式，而是通过改变来自光学CCD相机的LED照明的强度来探测光电流，而没有使用外部激光。在1V的样品偏压下，无LED照明的测量电流图像得出的平均电流约为0.3 nA（图4（b））。对于后续的测量，LED照明逐渐以20%的步长从0增加到最大光强度的80%。在80%的强度下，1V样品偏压时的最大电流约为1.2 nA，总体增加了约0.9 nA（图4（c））。

图3.（a）在2V样品偏压下，对带有有机涂层的钙钛矿材料进行C-AFM测量的高度和（b）电流图像。PCM在突出显示的区域内进行。（c）无光照的电流体积图像和带光照的光电流图像，（d）在指示的像素上测量的电压偏压、激光强度和光电流随时间的变化。

图4. 在不同LED照明强度下对光活性钙钛矿材料进行的光电流测量。（a）在1V样品偏压下无LED光照的高度和（b）电流图像。（c）在同一区域，0 ~ 80% LED照明强度下的电流图像。