走査光電流顕微鏡

走査光電流顕微鏡（スキャンフォトクレント显微鏡，SPCM の）は材料の光電流強度分布を検出するための高精度な装置である。この技術は光学励起と電気測定を結合し、レーザー光を1点ずつ走査し、光電流信号を同期的に記録することにより、材料表面の光電特性の空間分布イメージングを実現する。その核心原理は光キャリアの励起、分離と収集、及び信号の空間マッピングに関連し、この過程は光電材料の応答信号を測定するために使用でき、それによってその光電特性を特徴づけることができる。材料表面にレーザ光が集束すると、入射した光子エネルギーが吸収されて電子が発生する-正孔対（光生キャリア）。内蔵電場または印加バイアスにより、これらのキャリアは効果的に分離され、配向された光電流を形成する。走査光電流顕微鏡は“光励起-でんきおうとう”の正確な空間マッピングは、材料表面の光電活性を可視化するため、ナノデバイスにおけるキャリア動力学、界面特性及び欠陥工学を研究する重要なツールとなっている。この技術の核心は、高解像度の光走査と微弱電子信号抽出との効果的な結合にある。トポロジー量子材料やフレキシブル光電デバイスなどの最先端分野では、この技術は大きな応用可能性を示している。

図1.走査光電流の原理図

走査光電流技術の応用

1. デバイス故障解析

ペロブスカイト太陽電池の性能は時間とともにの推移減衰は、さらにデバイスの不安定性を引き起こす。従来の電流密度-電圧（J-V の）曲線測定（如図aに示す）デバイスの全体的な性能パラメータ、例えば効率のみをマクロ的に明らかにすることができる和じゅうてんけいすう等が表示されますが、パフォーマンス低下の微視的な原因を明らかにすることはできません。

図2.（a）ヘテロ接合ペロブスカイト太陽電池構造 （（b））伝統J-V の曲線

に基づいて走査光電流顕微鏡入手可能デバイス表面の光電流分布図。均一な、高光電流の分布図（図のように（b）に示す）は、電荷の発生と収集効率が活性領域全体で一致する、健康で性能の良いデバイスを表している。一方、デバイスの老化が失効した後、その光電流分布図（図のようにC和dに示す)が極端にムラになります。図に表示される明るい赤色/黄色の斑点は局所的な高電流領域を表し、これは通常微小な局所短絡点または漏電チャネルであり、それらはエネルギーを散逸し、デバイスの出力電圧と充填因子を低下させる。そして大きな青/紫色領域は低電流または無電流の“デッドゾーン”これらの領域の材料は分解され、不動態化されたり、電極との接触が不良になったりして、効果的に電荷を発生または転送できず、全体の電流が低下したりする可能性があります。走査光電流顕微鏡（SPCM の)は強力な非破壊診断ツールです。それは巨視的な性能を減衰させる（J-V の曲線表示効率の低下）は、微視的で空間的な電流分布の不均一と直接関連している。デバイス中の漏電点と不感帯の故障点を可視化することにより、可（か）研究者に直観的な証拠を提供し、ペロブスカイト太陽電池の性能低下の具体的な原因（例えばイオン移動、電極腐食、界面分解など）を分析し、それによって指導材料の合成とデバイス構造の最適化、電池の安定性の向上に極めて重要な方向を提供した。（参考文献：ミュエルブラント等,RSC Adv.、2017,7,42973–42978）

図3.（a)を通じてJ-V の曲線量子化素子の性能 （b-d）.0，7なんてこと、28天デバイスの光電流図

2. 2次元ヘテロ構造における自発光起電力効果

従来の光起電力素子は、人工的に構築された非対称構造内部の電場に依存して光電荷を分離する必要があった。この研究では、2つの異なる2次元材料（WSe の₂和BP の）単純に積み重ねて形成されたヘテロ接合において、人工的に構築されたPN接合は、2つの材料界面自体に固有の物性非対称性だけで、光照射下で方向固定の光電流を発生することができる。この効果は“自発的”光起電力効果走査光電流顕微鏡（SPCM の)というツールを使用して、この現象を発見し、確認することができます。図示するように、微小なレーザ光を集束し、ヘテロ接合デバイス表面全体を走査し、バイアス電圧をゼロ印加する条件下で、各点で発生する光電流の大きさと方向を正確に測定した。SPCM の描画された光電流分布図は、2つの材料の重なり合う領域、すなわちヘテロ接合境界面において、顕著かつ均一な光電流信号。この重要な画像証拠は、界面自体が効率的な光電変換活性領域であることを直接証明している。このような自発光起電力効果の根源は、異質結界面における天然の対称性の破れにある。WSe の₂和BP の異なる空間対称性、バンド構造などの異なる結晶構造と電子特性を有する。それらが結合すると、界面には内在的で方向が固定された内部電界が形成される。この内蔵電界の役割は“自動”の電荷分離器であり、光が照射されると電子が発生する-正孔が対向すると、この電界はそれらの方向移動を駆動し、それによって正味電流を発生する。その重要な意義は、超薄型で複雑なドーピングプロセスを必要とせず、性能に優れた新型光起電力と光電検出デバイスを実現するために新しい技術経路を提供することである。（参考文献：アカマツ等,サイエンス 372, 68–72 (2021)）

図4. WSe の₂、BP のおよびそのヘテロ接合の比較：（A-C）.フォトミラー、（D-F）.光電流マップ、（G-I）.光電流先走査図

3. 光起電力効果のたわみ光伏す

モス2に覆いをVO2 のナノベルト上で、研究者は走査光電流顕微鏡を用いてデバイスを走査し、光電流の空間分布図を描画した結果、Z強の光電流信号の高さがVO₂ナノベルトのエッジ領域があり、高歪勾配領域と重なる。（参考文献：大きいetal.、ナットナノテクノロジー，2021年8月16(8):894-901）

図5. レーザー照射下1点、2点と無照度での素子の電流-電圧曲線イラストはデバイス断面の概略図です。1，2測定部位.（a）. モス2のE12Gモードのラマンイメージング結果（b）レーザ照射下のデバイスの光電流イメージング結果

4. インタフェース解析

走査光電流技術は約150nmのハイスペース分解能、正確なマッピング及び定量的に黒鉛を分析したエチレントランジスタチャネル内のナノスケール電位分布。研究によると、金属電極（Ti/Pd/Au)会p型は下方のグラフェンをドープし、その効果はチャネル内に広がる0.2-0.3ミクロメートルを選択して、n型（かた）チャネルに沿った導通領域重要なp-n-p構造。光電流分布を数値積分することにより、研究者はこの構造のバンドマップを定量的に再構成し、これは黒鉛を直接説明したエチレントランジスタによく見られる電子と正孔の伝導非対称性——その根源はp-nまとめて持ってくるの追加の接触抵抗ではなく、バルクざいりょう材料属性。また、この技術は単層と多層黒鉛の探査にも成功したエチレン界面での電荷移動と内蔵電場は、同様に低次元ヘテロ接合界面の電子挙動を研究する強力なツールであることを示している。（参考文献：ミュラー等,物理レビュー B 79, 245430 (2009)）

図6.（A）. デバイス材料異なる階数構成（B）. 金属電極以外の光電流画像界面での強い信号を除いて単層および多層界面（白色破線）にも明確な光電流信号が観測され、両側界面で極性が逆（C）.グラファイトエチレントランジスタ形態とスキャン光電流応答グリッド電圧進化過程

5. 大脳ニューロン電気特性

私たちの脳の中のサブミクロンシナプスによって接続された複雑なニューロン回路は、ニューラル科学の多方面の潜在的なメカニズムを解読するために、超高時空解像度でニューラルネットワークをマッピングできる技術を必要としています。グラフェントランジスタアレイと走査光電流顕微鏡を組み合わせることで、元の海馬ニューロンの単一シナプスの電気活動を検出することができる。ニューロン過程でグラフェン光電プローブの局所コンダクタンス変化を直接測定することにより、偏光解消過程における単一シナプスの細胞外電位変化を推定することができる。グラフェンの超高速特性光電流応答により、サブミリ秒時間分解能で各シナプスの活動モードを復号することができる。この新しい神経技術は、ニューラルネットワークにおける単一シナプスの電気生理学的結果を記録するための有望な可能性を提供する。（参考文献：ブルーヤー等,ナノレター2018,18(9)。 5702–5708）

図7. （A）集積黒鉛を有するエチレントランジスタの四腔ニューロン-コロイド細胞共培養微小流体装置の概略図。（B）走査光電流測定の概略図。回折制限レーザースポットは、透明カバーガラス走査ニューロンの下のグラフェンを通過する。（C）ニューラルネットワーク下のグラフェントランジスタの微分干渉コントラスト（DIC）。2つの黒い長方形はグラフェンの下にある不透明アウ電極膜育成の第5日、用（d）mCherry の-シナプス（赤）と（E）mCerulean の（青色）差異トランスフェクションニューロン、維持と神経コロイドの共培養。一部うん中央マゼンタの正方形領域の拡大蛍光画像：（F）mCerulean の（青）;（G)のmCherry の-シナプス（赤）;（H）mCerulean の和mCherry ののシナプスの重なり;および（私は）GFP-GCaMP6s（緑）。

細胞外にK +濃度4 mMまで上げる60 mM化学誘発の爆発を研究するために来ました。DICシナプス接触を識別するための蛍光画像（図3A-F）を選択し、次いでレーザービームを対応するグラフェンに集束させる-シナプス接続部、間隔50 μs境界における局所電気の活動を記録するために光電流応答を収集する。

図6.（A）育成の第9日、グラフェントランジスタの頂上にあるニューロン型のDIC画像。（B）mCherry の-シナプス（赤）;（C）mCerulean の（青）;（D）mCerulean の和mCherry のシナプトフィシンのオーバーレイ;および（E）GFP-GCaMP6s（緑）。（F）セクションD中マゼンタの正方形領域の詳細な蛍光と（G）光電流画像。（H）3つの高さK +刺激周期下のグラフェン-シナプス接続点F和Gにおける白色三角形）の光電流応答（4）-60-4-60-4-60）。（私は）セクションHにおいてマゼンタ矢印で示されるスパイクパルスの自発波形である。