兰州大学张泽民AOM: 光电极界面局域电荷输运的光电流成像研究

创新点：兰州大学物理学院张泽民和美国劳伦斯伯克利国家实验室Jason K. Cooper、Francesca M. Toma等合作者通过光电流成像和数值分析技术，研究了半导体光电薄膜/二维电荷传输层界面上的局域电荷输运行为，发现界面肖特基势垒是电荷选择性传输的关键并提出基于费米能级工程的电荷输运优化机制。

关键词：电荷输运，光电极，光电流成像，费米能级工程

近年来，金属氧化物作为光吸收半导体，在光电转换、信息传输等领域得到了长足的发展。相比于传统单晶半导体，氧化物独特的小极化子跃迁机制（Small polaron-hopping）使得其载流子迁移率只有10-2左右，传输距离仅有10-100 nm。因此，优化氧化物光电极性能的关键在于提高载流子收集效率。在半导体表面沉积电荷传输层，构建电荷选择性传输通道是提高收集率的有效措施。二维薄膜（石墨烯、过渡金属氧组化物等）由于其超薄、高导电和柔韧性强等特点，已成为优异的电荷传输层候选材料。然而，受限于有限的界面电荷输运机制认知，目前关于电荷传输层的研究还停留在试错阶段，难有突破性成果。

针对上述问题，兰州大学张泽民研究员及其合作者利用BiVO₄为光吸收半导体，Ti₃C₂为二维电荷传输层组成的光电极模型，对其纳米界面上的局域电荷输运进行了实验结合理论研究：光电性能分析证明二维电荷传输层的引入能够显著提升了光电极的光电性能。光电流Mapping表明电荷传输层能够收集半导体中的光生电荷从而形成异质分布。局域I-V特性及其数值分析证明在二者界面上存在肖特基异质结。在肖特基内建电场的作用下，电荷传输层有效收集光生空穴而阻止电子，从而抑制复合，显著提高载流子收集效率。在肖特基结选择性收集理论的指导下，该团队继而提出N原子掺杂以优化电荷传输层能级结构来进一步提高载流子收集的策略，得到性能优异的光电极体系。 

本研究针对氧化物半导体电荷收集效率低、界面输运机制不清晰的问题，采用先进的光电流成像与数值分析技术，率先从微观角度证明了半导体/电荷传输层界面肖特基势垒的存在及其对电荷选择性输运的调控。本项目为半导体/电荷传输层体系的构建和优化提供了理论和技术支持。

WILEY

论文信息：

Local Charge Transport at the Interface of Semiconductor and Charge Transport Mediator

Zemin Zhang*, Sarah A. Lindley, Tao Chen, Xu Cheng, Erqing Xie, Weihua Han*, Francesca M. Toma, Jason K. Cooper

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202201247

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Advanced

Optical

Materials

期刊简介

Advanced Optical Materials创刊于2013年，是一本报道材料科学领域与光-物质相互作用相关的突破性研究的跨学科国际期刊。其收录论文的研究领域包括光子学、等离激元光子学、超材料等。2021年影响因子为10.05。

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