由于在微电子和光电子领域的潜在应用前景，基于二维材料的光电子器件，特别是光电探测器近年来成为研究热点，并取得了显著进展^[1]。过渡金属硫族化物（transition metal dichalcogenides，TMDCs）二维半导体材料具有优异的材料稳定性、独特的层状结构、良好的电子迁移率等特性，在光电探测器、场效应晶体管、传感器、太阳能电池等领域展现出巨大的应用前景^[2-4]。基于不同二维材料堆叠的范德华异质结可用于制备具有复杂功能的光电子器件。利用光–物质相互作用来进行测试是研究二维半导体材料和器件性质的重要手段之一。而光–电流测量能同时揭示光激发和光生载流子的输运机制，被广泛应用在光电探测器和其他光电子器件的特性研究中^[4]。

但是在大多数情况下，研究者都是对在全局照明下的器件进行研究（即光斑大于器件尺寸），因为这样能快速获取器件的光电流响应和时间常数等信息^[5-6]。但基于二维材料的光电器件中的光电流产生过程包含丰富的机制，无法在全局照明的条件下分析光电流产生所对应的具体物理效应。因此，扫描光电流成像系统（scanning photocurrent imaging system，SPIS）^[7-13]就显得尤为重要。该系统能将小直径聚焦光斑照射在器件区域内，根据不同位置处器件所产生的光电流来具体分析二维光电器件的光电流产生机理^[11,14-16]。但相关文献报道中缺少对光电流扫描成像系统搭建方法的具体介绍，尤其是聚焦光路部分仅有简要描述，缺乏实现该类系统的关键技术细节。

基于上述情况，设计并搭建了一套高分辨率扫描光电流系统，并详细介绍了聚焦光路的具体搭建过程。利用自行搭建的光电流扫描成像系统分析研究了MoS₂与金属电极界面接触产生的非对称肖特基势垒对光电流分布的影响，验证了该系统具备较高的空间分辨率、较好的微弱信号提取能力和良好的扩展性。

光电流扫描系统能记录器件不同位置处的电流信号，并将这些数据信号值结合二维坐标绘制成二维图像。本研究设计了一个包含聚焦与成像的光路结构，并通过LabVIE上位机控制软件对二维位移台、源表和锁相放大器等电学测量仪器进行编程控制，实现了自动运动扫描、数据保存和图像绘制等操作。程序的总体框架包括仪器连接、运动参数设置、运动控制与测试、数据保存等多个功能模块。同时，还对多个子状态的内部结构分别进行了细化完善。

接近衍射极限的聚焦激光光斑是实现高质量光电流扫描成像的关键。采用共聚焦显微镜光路对激光进行聚焦，对应的框图如图1所示，系统光路主要由聚焦光路和成像光路组合而成。所选择的光源是波长（λ）为 780 nm的飞秒激光器（Menlo systems C–Fiber–780），其光束质量非常高，M₂因子为1.08。也可以根据实验需求选择其他频段的激光光源。激光光束通过扩束、第一次聚焦、滤波、准直、第二次聚焦后成为直径小于1 μm的光斑。飞秒激光光束在较短的传输距离内可近似为平行光束，经扩束器扩束后，可得到一束放大的平行光束。随后，通过光阑限定光束横向面积。通过10×物镜（m1）对平行光束进行第一次聚焦，在其焦斑处放置一个直径为50 μm的空间滤波针孔光阑，滤除杂散光，用焦点与针孔光阑重合的长焦距凸透镜（L1）将通过针孔的光准直，最后经过50×物镜（m2）聚焦。滤波系统中的针孔光阑除了滤除杂散光外，还能充当调控聚焦光斑最终大小的闸门。

图 1

Figure 1

L2. 成像光路长焦透镜。 图 1 聚焦光路和成像光路结构图 Figure 1 Structure diagram of focus path and imaging path

单模激光一维径向分布函数（即聚焦光斑直径）为

式中：A为激光的最大振幅；x为径向坐标上光斑边缘到光斑中心的距离；σ为该系统中激光光斑的发散程度。当针孔光阑的直径$ d {{＞}} 6\lambda \cdot {f}_{1}/2\mathrm{\text{π} }\sigma $（f₁为m1凸透镜焦距）时，聚焦光斑最小直径基本不变；当$ d {{＜}} 6\lambda \cdot {f}_{1}/2\mathrm{\text{π} }\sigma $时，聚焦光斑直径随d的减小而减小^[17]。此外，聚焦光斑直径还与凸透镜L1的焦距$ {f}_{2} $和物镜m1的焦距$ {f}_{1} $的比值有关，两者的比值越大，理论上最终可聚焦的最小光斑直径越小。此外，用来聚焦光斑的m2物镜的焦距也对光斑直径有影响，其焦距越小，则聚焦光斑直径也越小，故对该系统而言必须选择一个短焦的高倍物镜。最终，经过该聚焦光路的光所形成的光斑能够接近衍射极限。

激光经聚焦光路后聚焦在样品上的光斑最小点以及待测器件的像反向通过m2物镜，经分束块反射进入到成像光路中。成像光路本质上可以理解为一个无限筒长的显微镜系统，其由聚焦光路中的m2物镜和一个长焦透镜（L2）组成。m2物镜焦点处器件的像和最小光斑的像通过物镜平行出射，再经透镜L2后在其焦点处形成一个倒立的实像。最后，将CMOS成像阵列（FT–FH1080）放置在透镜L2焦点处，通过CMOS相机来观察器件的像与光斑聚焦情况。同时，成像光路也起到了定位和选择扫描范围的作用。无限筒长显微镜系统的放大率为

式中：$ {f}_{a} $与$ {f}_{b} $分别为物镜和目镜的焦距。又因为聚焦光路与成像光路所使用的是同一个近场物镜，即$ {f}_{a} $也等于物镜m2的焦距，所以选择短焦物镜在提高光斑聚焦效果的同时也能提高成像光路中像的放大倍率，便于观察器件与光斑相对位置的情况。

光电流扫描系统的运动扫描框图如图2所示。将待测样品安装于固定在电控二维光学位移台的支架上，位移台上的两个步进电机（西格玛光机，OSMS20–85），行程范围为80 mm，整步分辨率为每脉冲2 μm，半步分辨率为每脉冲1 μm，最大速度为80 mm/s，可实现1/4步分辨率的高精度脉冲。将光学位移台连接到控制器上（西格玛光机，SHOT–304GS），再通过计算机进行自动控制扫描。采用数字源表（Keithley，2450）来测量扫描过程中的电学性能。利用LabVIE自主编写程序实现数据采集和运动控制。程序的总体框架为一个有限状态机，在多种控制状态中最为核心的是运动控制与测试状态。在光电流扫描成像过程中，需要保证步进电机每行进一步，源表便进行一次测试，并记录下该点的数据以及坐标。此外，为了让步进电机按照设定好的器件范围来进行扫描，电机的运动状态需严格按照设定来进行。设器件扫描范围为mΔl₁×nΔl₂，其中m为x行方向的扫描步数，Δl₁为x方向步长，n为y列方向扫描步数，Δl₂为y方向步长。扫描时，x方向单轴电机行进一步后，y轴电机需行进n步，完成一列扫描。之后，x轴电机再行进一步，y轴电机再反向扫描一列，如此完成一个循环，最终将设定的扫描范围全部扫描完成。电机运行结束后，以起始扫描点为坐标原点，赋予所有测试数据对应的坐标值，将源表数据与对应坐标导出并保存。至此，数据采集和电机扫描程序全部运行结束，通过绘图软件将保存的测量数据与坐标绘制成光电流表征图。最终搭建完成的光电流扫描系统如图3所示。

图 2

Figure 2

图 2 运动扫描结构框图 Figure 2 Block diagram of motion scanning structure

图 3

Figure 3

图 3 光电流扫描系统 Figure 3 Photocurrent scanning system

由于搭建系统所用的光源为780 nm的飞秒激光器，需要选择带隙小于该波长激光对应光子能量的半导体材料进行光电流扫描实验，对系统性能进行验证和评估。因此选择MoS₂来进行光电流扫描测试。在TMDCs中，MoS₂具有原子级界面和层数关联的能带结构，以及高光响应和低暗电流的特点，在光电探测领域具有非常明显的优势。与体材料相比，MoS₂具有良好的光吸收率，可以对从紫外（UV）到红外（IR）的宽带光谱做出响应，这主要归因于层状MoS₂与光之间可以产生强烈的相互作用^[6,18]。单层MoS₂具有1.8 eV的直接带隙，而多层MoS₂为间接带隙，带隙值约为1.29 eV。其带隙值会随着材料层数的减小而增大。与其他二维材料一样，MoS₂层间仅存在较弱的范德华力，因此可通过机械剥离获得单层或少层无表面悬挂键的MoS₂二维材料。同时MoS₂中Mo原子与S原子以很强的共价键连接，这种结构使得MoS₂在相同条件下的机械强度是钢铁的几十倍^[5,19]。室温下单层MoS₂场效应晶体管的电流开关比可达10⁸，有效电子迁移率为700 cm²/（V·s）。在稳定状态下MoS₂耗能是传统硅晶体管的1/100 000，其光响应特性也远优于石墨烯器件，因而被广泛应用于柔性光电探测器、锂电池电极等领域。

设计制作了一个两端肖特基接触的MoS₂光伏器件。将通过机械剥离法剥出的二硫化钼转移到两端的Cr/Au金属电极上，如图4（a）所示。从该器件的光学显微镜图上可测得MoS₂材料的长和宽分别约为80 μm和30 μm。

图 4

Figure 4

图 4 器件结构与不同光功率下的I–V曲线 Figure 4 Device structure and I–V curves at different optical powers

首先在全局照明（780 nm激光）下，对器件的性能进行测试。在样品表面产生一个直径约为500 μm的光斑（确保光斑完全覆盖器件）。图4（b）显示了该器件在暗条件下和不同激光光照功率密度下的电流–电压（I–V）特性曲线。可以看到器件在不同功率密度的激光照射下，光电导效应所能达到的饱和电流约为18 μA。Cr/Au金属电极的功函数约为5.1 eV，而MoS₂的功函数约为4.7 eV。在零偏置电压下，金属电极与材料接触处的肖特基结存在一个内建电场^[18]。内建电场能有效分离光生载流子，其中电子从金属电极越过势垒向材料移动，而空穴在另一侧从材料向电极移动，最终在零偏置电压下形成光电流。图4（b）所示为偏置电压从0 增加到1 V的扫描过程中，器件总的光电流随着光照功率的增大而增大，但零偏置电压下高光照功率产生的光电流反而小于低光照功率下产生的光电流，如图4（b）所示。

接下来，用光电流扫描成像系统对MoS₂器件在局域光照明情况下的响应进行测量。由于在激光准直扩束的基础上加入了附带空间滤波的二次准直，最终在聚焦平面的激光振幅分布可以分为两部分：激光束被聚焦物镜聚焦的最终光斑以及针孔光阑经光路整体构成的耦合透镜组所成的像。瑞利判据为

式中：$ \theta $为光斑最小分辨角；$ \mathrm{\lambda } $为入射光波长；A_n为数值孔径。由式（3）可知，在光学系统中光斑要达到衍射极限，可通过减小入射波波长或增大数值孔径来实现。在本次测量中使用的是780 nm的激光，波长恒定，聚焦系统所用近场物镜的数值孔径A_n = 0.42，通过调节光学系统使准直滤波最终进入聚焦物镜的平行光束刚好能覆盖聚焦物镜的入瞳。理想情况下，激光经过该光学系统后可以得到直径为1.13 μm左右的光斑，由于激光经过光学系统存在损耗，进一步调节衰减片适当减小激光功率，最终可以得到直径小于1 μm的光斑。图5（a）是MoS₂器件扫描区域的光学显微图，通过聚焦光路可获得直径约1 μm的光斑，利用成像光路，微调器件位置使光斑处于聚焦镜头焦平面，移动二维位移台将光斑照射在器件需扫描范围的起始点位。源漏电压保持在0 V，扫描过程中保持环境黑暗，避免环境光干扰。由于器件本身不发光，在成像光路中需添加辅助照明光路，以方便调整器件位置。在扫描前需将照明光关闭，确保无环境光干扰。在MoS₂光电探测器中，MoS₂与金属电极为肖特基接触，在结区存在内建电场，可以分离光激发的电子–空穴对，从而产生光电流。图5（b）所示为零偏置电压下的光电流扫描图，x和y方向上的步长都设置为1 μm。具体扫描流程为：沿x方向移动1步，完成y方向全部扫（正向），随后沿x方向再移动1步，完成y方向反向扫描，循环该过程直至扫描结束。从图5（b）可以观察到光电流只在金属与MoS₂交叠区以及金属–MoS₂接触边缘产生。通过等高线伪彩色图上的光电流分布可以看到，金属与材料接触区域材料的大致轮廓。除金属–MoS₂交叠区外，其他区域未检测到光电流；当光斑远离接触界面时，光电流趋近于零。此外，在金属–MoS₂交叠区产生的光电流是不均匀的，存在明显的强弱分布。这种空间不均匀的光电流的产生是因为机械剥离法制备的MoS₂材料层厚度不均匀所导致的。厚度不均的材料与金属接触产生的肖特基势垒会不同，另外在不同厚度界面处沾上不同程度的污染物也会影响光电流的产生。根据上述现象可以判断，某一厚度的MoS₂与金属电极接触的位置处会存在一个非常强的电流响应。

图 5

Figure 5

图 5 器件的光电流扫描范围与扫描结果 Figure 5 The photocurrent scanning range and scanning result of the device

通过分析MoS₂光电探测器表面光电流分布，可以揭示其响应机理，同时根据电流强度差异可以定位主要响应区域。以上测量结果表明，空间分辨光电流的分布对揭示二维材料光电器件的工作机理和性能具有重要意义。同时，也验证了自主搭建的高分辨率光电流扫描系统的性能，其能有效表征探测器表面的光电流分布。

搭建了一套高空间分辨率的扫描光电流成像系统，该系统可用于绘制基于二维材料的光电器件的光电流响应分布图，其聚焦光路所能获得的最小光斑直径可达1 μm。在本次测量中使用了恒定波长为780 nm的激光作为光源，后续为进一步提高分辨率与测试精度，可以使用波长更短的激光作为光源。本文详细介绍了扫描光电流系统的结构，包括光路、程序控制和测试流程，为其他的中小型实验室自主搭建光电流扫描系统提供了参考。通过对MoS₂器件的测量，分析了其响应机理与性能，验证了系统的可行性。结果显示，该系统具有优异的性能和分辨率，为深入探究器件内部载流子输运机制及光电响应机理提供了重要支撑，同时为高性能光电器件的优化设计指明了研究方向。