用导电原子力显微镜检测光电转换材料光电流信号的方法与流程

本发明属于信号检测技术领域，尤其涉及一种利用导电原子力显微镜检测光电转换材料光电流信号的方法。

背景技术：

有机太阳能电池的研究始于上世纪70年代，与传统的太阳能电池相比，有机太阳能电池具有分子结构可设计、材料质量轻、生产工艺简单、制造成本低、加工性能好、可卷曲等优点，因而在以提高电池性能、降低生产成本、减少环境污染为发展方向的太阳能电池领域受到广泛关注。

理论研究表明，有机太阳能电池中具有光电转换效应的活化层(即，该活化层材料为光电转换材料)的纳米结构对载流子的产生、分离和传输等过程有重要影响，进而影响器件的光电转换性能。因此利用高分辨的表征技术研究活化层薄膜的微区形貌与有机太阳能电池器件性能之间的关系是十分重要的。

相比于其他表征技术，扫描探针显微镜能够同时表征样品纳米尺度的形貌和电学性质，在表征微观光电性能方面具有独特的优势。其中，导电原子力显微镜(C-AFM)是在传统的原子力显微镜(AFM)基础上衍生出来的仪器，扫描所用的探针针尖是导电的，在获取样品表面形貌信息的同时，可以获得与形貌对应的局域电导信息，使用电流测量装置结合电流放大器来测量表面电流密度。光电AFM(Photoconductive AFM，简称 PC-AFM)是Ginger小组在C-AFM技术基础上发展起来的一项技术，是将光照射光电转换材料样品，由于光电转换效应产生光电流信号，探针在记录形貌的同时检测到该光电流信号，通过AFM内置的电流放大器记录并放大该光电流信号。利用该技术可直观观察到光电流的产生和输运特性，对理解有机太阳能电池的光电转换机制具有重要作用。

但是，受电流放大器分辨率的限制，对于大部分具有光电转换效应的材料，一般光强照射后产生的光电流信号非常微弱，利用电流放大器很难分辨，往往需要较强的光强才能产生足够大的可供电流放大器分辨的光电流信号，而较强的光强会引起材料温度升高，增加测试的热漂移和热噪音，甚至可能造成光电转换材料的损伤，影响测试结果的准确性。

技术实现要素：

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种利用导电原子力显微镜检测光电转换材料光电流信号的方法，利用该方法能够提高光电流检测的灵敏度和信噪比。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：一种利用导电原子力显微镜检测光电转换材料光电流信号的方法，光源发光照射材料样品，由于光电转换效应产生光电流，导电探针接触材料样品探测该光电流信号，并将探测到的信号传输至电流放大器，得到电流放大信号，其特征是：

采用锁相放大器；

所述光源为电致发光，所述锁相放大器输出用于驱动光源发光的驱动电压，所述驱动电压是交流电压；

所述电流放大信号传输至锁相放大器进行锁相放大，锁相放大器的参考信号与所述驱动电压信号具有相同的频率。

为了进一步提高锁相放大效果，作为优选，所述锁相放大器的参考信号与所述驱动电压信号还具有相同的相位。

作为优选，所述驱动电压是具有直流偏移的交流电压，即，所述驱动电压是一直流电压叠加一交流电压而成。

作为优选，所述驱动电压为正弦交流电压；进一步优选，所述驱动电压是具有直流偏移的正弦交流电压，即，所述驱动电压是一直流电压叠加一正弦交流电压而成。

所述光照射材料样品的方向不限，作为优选，光照射在材料样品的下表面，探针接触材料样品的上表面进行探测。

综上所述，本发明采用锁相放大技术，锁相放大技术是提取微弱信号的重要方法之一，其技术特点是利用和被测信号有相同频率的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身以及那些与参考信号同频(或者倍频)的噪声分量有响应。因此，锁相放大技术能大幅度抑制无用噪声，即使被测信号被淹没在噪声信号中(即，噪声信号比被测信号大很多)，只要确定被测信号的频率，就能较准确地测量出该被测信号的幅值，从而有效改善检测信噪比。

本发明正是利用锁相放大技术的特点，采用电致发光的光源，使驱动光源信号与锁相放大的参考信号具有相同频率，从而实现了光电流信号的锁相放大，提高了光电流检测的灵敏度和信噪比，具体检测过程如下：

(1)锁相放大器输出用于驱动光源发光的驱动电压，该驱动电压是频率与相位可控的交流电压，使光源产生交变的扰动光信号(作为优选，所述驱动电压是一直流电压叠加一频率与相位可控的交流电压而形成，使光源产生稳定的背景光信号和叠加的交变扰动光信号)，在该光信号的照射下，由于光电效应，样品产生相同频率的交变光电流；

(2)调整原子力显微镜，使导电探针与样品表面接触以探测该光电流信号，然后经电流放大器放大，得到包含该光电流信号的电流放大信号；

(3)该电流放大信号输入锁相放大器，该锁相放大器的参考信号与步骤(1)中的驱动电压信号具有相同的频率关系，从而实现锁相放大，输出信号即为放大后的光电流信号。

另外，选择光源照射的区域为扫描区域，当调整原子力显微镜使导电探针在样品表面扫描运动时，能够同时记录样品表面的形貌和利用锁相放大器放大的光电流信号；因此，该方法可以用于研究光电流产生和传输的动力学过程，在太阳能电池等技术领域中具有应用价值。

附图说明

图1为实施例1中利用导电原子力显微镜测试样品表面形貌与光电流信号的测试平台结构示意图；

图2是实施例1中利用导电原子力显微镜测试得到的样品表面的形貌图；

图3是实施例1中利用导电原子力显微镜测试得到的样品表面的光电流分布图。

图4是对比实施例中利用导电原子力显微镜测试得到的样品表面的光电流分布图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解的是，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。

图1中的附图标记为：样品1、原子力显微镜样品台2、光源3、导电探针4、激光器5、四象限光电探测器6、控制器7、电流放大器8、锁相放大器9。

实施例1：

本实施例中，样品是具有光电转换效应的ITO/P3HT:PCBM薄膜样品，利用导电原子力显微镜测试该样品表面的形貌以及光电流分布。

测试平台结构示意图如图1所示，包含微观形貌检测部分与光电流信号检测部分。

微观形貌检测过程为：将样品1置于原子力显微镜微镜样品台2上，导电探针4的针尖与样品形成稳定接触。激光器5的光源入射到探针4表面后反射到四象限光电探测器6。四象限光电探测器6将光学信号转换为电学信号输入原子力显微镜的控制器7。

光电流信号检测过程如下：

(1)将样品1置于原子力显微镜微镜样品台2上，导电探针4的针尖与样品形成稳定接触。样品下表面设置光源3，该光源3为LED灯；导电探针4连接电流放大器8，电流放大器8连接锁相放大器9；

(2)锁相放大器9为光源3提供驱动电压，该驱动电压是一振幅为3V的直流电压叠加一振幅为1V、频率为0.5KHz的正弦交流电压而形成；在该驱动电压驱动下光源3 产生一束稳定的背景光信号和一叠加的经过频率为0.5KHz的正弦调制的扰动光信号；在光照射下，由于光电效应，样品1产生频率为0.5KHz的正弦调制光电流。

(3)导电探针4与样品表面接触探测该光电流信号，然后经电流放大器8放大，得到包含该光电流信号的电流放大信号；该电流放大信号输入锁相放大器9，该锁相放大器的参考信号与步骤(2)中锁相放大器为光源3提供的驱动电压信号具有相同的频率和相位关系，从而实现锁相放大，则锁相放大的输出信号即为放大后的光电流信号。

选择光源照射的区域为扫描区域，选择合适的扫描速度和扫描范围使导电探针4在样品1表面扫描，同时记录形貌信号和锁相放大器9的输出信号，能够得到样品1的表面形貌和光电流的分布结果。图2与图3分别为该ITO/P3HT：PCBM薄膜样品的形貌和光电流测试结果，从图3中可以清晰地看出样品表面不同位置产生的光电流大小明显不同。

对比实施例：

本实施例中，样品与实施例1中的样品完全相同，利用导电原子力显微镜测试该样品表面的形貌以及光电流分布。

测试平台结构示意图与图1基本相同，所不同的是光电流信号检测部分中不包括锁相放大器9；用于驱动光源3的驱动电压是一振幅为4V的直流电压，使光源3产生一束稳定的背景光信号；在该光照射下，由于光电效应待测样品1产生光电流，导电探针 4与样品1表面接触探测到该光电流信号，经电流放大器8放大后得到包含该光电流信号的放大信号。

选择光源照射的区域为扫描区域，选择合适的扫描速度和扫描范围使导电探针4在样品1表面扫描，同时记录形貌信号和电流放大器8的输出信号，能够得到样品1的表面形貌和光电流的分布结果。图4为该ITO/P3HT:PCBM薄膜样品的光电流测试结果，可以看出只利用电流放大器不能区分样品表面不同区域的光电流大小。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。