光电新产品| 100倍物镜下的亚微米分辨率光电流扫描新方案

光电流扫描是研究器件光电响应机理的重要方式。我司推出的MStarter 200系列光电流测试系统，创新性的在探针台体上加入了压电移动方式，一方面可以使用探针作为接线方式，方便了光电流扫描的接线操作，另一方面利用了压电平移台纳米级的移动精度，提高了光电流扫描的精度上限。

PART/2  辅助阅读&数据展示 

通过我司设备标准扫描功能，实现的光电流扫描成像数据：从图c可得知异质结区域是有效的光响应区，其中存在两个主导的I_ph峰，对应于Bi2O2Se下方的石墨烯与相邻石墨烯区域之间的横向结；且图c的光电流扫描成像数据明显的Bi2O2Se矩形轮廓线表明，光诱导载流子扩散长度可以达到微米尺度。

（a）Bi2O2Se/石墨烯光电晶体管示意图；（b） Bi2O2Se与石墨烯分别在暗场和光照条件下的的能带图；

（c）光电流扫描成像：左图为光镜图像，右图为光电流扫描成像结果；（d）光电流扫描数据的三维重建。

           （DOI:10.1021/acsnano.0c05300）

PART/3  新方案介绍

但是光电流扫描测试过程中，因为使用探针作为接线方法，必须使用工作距离较大的物镜。我们知道，随着物镜工作距离的增大，分辨率也在降低。物镜的分辨率由其NA值决定，对于我们常用的20mm工作距离的50倍物镜，NA值为0.42，其理论分辨率极限为约1um，实际使用中分辨率通常会略低于理论分辨率。考虑到压电平移台纳米级定位精度，系统的光电流扫描分辨率主要受到了物镜分辨率的限制。

为了提高光电流扫描的分辨率，我司从样品台，探针和物镜三方面全方位升级，研发成功了高分辨率光电流扫描的解决方案。在新方案中，我们可以使用100倍NA值高达0.8的物镜进行扫描，分辨率较原方案提升2倍以上。并且新物镜工作波段更宽，能够在400-1550nm宽波段工作并且都有很好的扫描效果。升级的方案中，尽管物镜工作距离下降到了6mm，但是并不影响探针测试，即使在测试中旋转物镜也没有任何干扰。

图1 探针台示意图（左，仅供参考），MStarter 200 光电流扫描测试系统（右）

因为光电流扫描测试中，激光是通过物镜聚焦在样品表面的，所以通过比较物镜明场成像的清晰度，就可以对比高分辨扫描方案相对于原设备方案的分辨率提升。我们使用两个物镜分别观察了尺寸大约30um的相同样品，可以看出高分辨方案的成像清晰度远优于原有方案。

图2 明场成像（a）100倍高分辨方案拍摄样品照片，（b）原50倍物镜拍摄样品照片

在光电流扫描中，我们使用激光聚焦在样品表面进行扫描。为了研究高分辨方案相对于原方案在光电流扫描中的提升，我们使用了激光对样品进行了扫描并且通过反射光成像的方式直接表征了激光扫描的分辨率。

反射光扫描成像的原理如下图所示，激光通过物镜聚焦于样品表面，反射光通过分束器进入功率计探头。样品通过压电台扫描，并且在每一点通过功率计测量反射光的光强。因为样品具有特定的形貌，不同位置的反射率不同，因此每一点反射光的光强也不同。这样，通过反射光扫描的方法就可以直接得到样品的图像，并且通过分析图像的分辨率来获得实际激光扫描的光学分辨率。光电流扫描过程中，激光照射到样品的光路与反射光扫描相同，因此反射光扫描成像的分辨率就代表了光电流扫描中激光的分辨率。

图3 反射光扫描成像的原理

在测试中，我们使用了405nm激光对样品进行了反射光扫描成像测试。可以从图像上直接看出，高分辨方案相对原方案有了明显提升，可以清晰观察到更多样品细节。

图4 405nm激光同步扫描（a）100倍高分辨方案扫描结果，（b）原50倍物镜扫描结果

大部分显微物镜设计波段都是可见波段400-700nm，但是我们高分辨方案和原方案选用的物镜对于近红外光都有透过，因此我们还使用了940nm和1550nm激光进行了反射光扫描成像。可以看出，在红外波段，高分辨方案相对于原方案提升更大。因为物镜的极限分辨率正比于波长，940nm和1550nm的波长远大于405nm，因此理论分辨率也会变大很多。即使扫描分辨率受到了波长变大的负面影响，高分辨率方案在近红外波段依然可以获得较为理想的扫描效果。

高分辨光电流测试方案已经作为选件集成进入在售的Scanpro Advance和MStarter 200系列光电流测试系统，有需要的客户可以在采购中进行选择。我司测试实验室也配备了高分辨光电流扫描测试配件，有需要的客户可以预约相关测试，具体可同售前专员联系。