MXene具有出色的電子和光學(xué)特性，這使它們能夠在光電器件中發(fā)揮豐富的作用，例如作為透明電極、肖特基接觸、光吸收體和等離子體材料等。并且MXene材料可以通過(guò)旋涂，滴涂，噴涂，噴墨印刷等方法進(jìn)行溶液加工，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本光電器件制造。

通過(guò)構(gòu)筑MXene/體半導(dǎo)體范德華異質(zhì)結(jié)是構(gòu)建高性能光電探測(cè)器的有效方法。MXene可以和各種體半導(dǎo)體材料兼容，在制造異質(zhì)結(jié)時(shí)無(wú)需像常規(guī)異質(zhì)外延法那樣考慮晶格失配條件。但是，受限于體材料高密度表面態(tài)，這導(dǎo)致范德華異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器暗態(tài)漏電流大，響應(yīng)度和探測(cè)率低，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

近日，五邑大學(xué)宋偉東博士和復(fù)旦大學(xué)方曉生教授合作在國(guó)際知名期刊Small上發(fā)表一篇題目為Interface Engineering Ti³C² MXene/Silicon Self-powered Photodetectors with High Responsivity and Detectivity for Weak Light Applications的研究論文，報(bào)道了一種通過(guò)簡(jiǎn)易的化學(xué)溶液生長(zhǎng)界面SiO^x層改善界面質(zhì)量的方法，發(fā)現(xiàn)該方法可同時(shí)抑制Ti³C²MXene/Si光電探測(cè)器暗電流和改善光響應(yīng)。該探測(cè)器在自驅(qū)動(dòng)模式下，具有超高的比探測(cè)率（2.03×10₁₃ Jones）和響應(yīng)度（402 mA W_-1）。同時(shí)，該探測(cè)器光暗比超過(guò)10₆，外量子效率峰值可達(dá)到60.3%。

圖1. Ti³C²材料微觀(guān)形貌、XRD、UPS和光學(xué)特性。（a）剝離的Ti³C²納米片和（b）Ti³C²納米片噴涂沉積在硅上制備的薄膜SEM圖。Ti³C²納米膜（c）XRD、（d）UPS和（e）UV-Vis測(cè)試。

圖2. 通過(guò)界面調(diào)控改善Ti³C²/Si光電探測(cè)器的光電特性。（a）Ti³C²/界面SiO^x層/Si光電探測(cè)器示意圖。（b）化學(xué)溶液生長(zhǎng)界面SiO^x層前后異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)。（c）不同界面的Ti³C²/Si光電探測(cè)器光、暗I-V曲線(xiàn)。（d）在0V偏壓下，Ti³C²/界面生長(zhǎng)SiO^x層/Si光電探測(cè)器暗電流測(cè)試。

圖3. Ti³C²/界面生長(zhǎng)SiO^x層/Si探測(cè)器光電性能。（a）光電流和外量子效率。（b）響應(yīng)度和比探測(cè)率譜。（c）不同波長(zhǎng)下開(kāi)關(guān)測(cè)試。（d）調(diào)制頻率為1Hz和100Hz下的NEP譜。

圖4. 波長(zhǎng)為900nm在不同光照強(qiáng)度下（a）I-V和（b）I-T曲線(xiàn)。（c）短路電流和開(kāi)路電壓隨光功率的變化曲線(xiàn)。（d）響應(yīng)度和比探測(cè)率隨光功率的變化曲線(xiàn)。（e）響應(yīng)度和比探測(cè)率與文獻(xiàn)報(bào)道和商用探測(cè)器對(duì)比。

圖5. 器件響應(yīng)速度測(cè)試。

圖6. 用有機(jī)硅膠封裝器件后的光電性能。封裝器件光暗（a）I-V和（b）I-T曲線(xiàn)。（c）外量子效率和響應(yīng)度譜。（d）比探測(cè)率譜。

利用化學(xué)溶液再生長(zhǎng)界面氧化層提高Si界面質(zhì)量，同時(shí)改善了自供電Ti³C²MXene/Si異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器光響應(yīng)和暗態(tài)漏電問(wèn)題。與沒(méi)有界面SiO^x層的器件相比，暗電流減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)；與自然生長(zhǎng)界面氧化層的器件比，光電流提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。改進(jìn)的光電探測(cè)器具有很高的光電探測(cè)性能，獲得了包括2.03×10₁₃ Jones的超高比探測(cè)率和零偏壓下的402 mA W_-1的高響應(yīng)度，并且該性能不會(huì)隨著光功率的增加而明顯下降。此外，該探測(cè)器信噪比高，光開(kāi)/關(guān)比超過(guò)10₆，外量子效率峰值達(dá)到60.3％，上升/下降時(shí)間為0.14/1.6 ms。為了將Ti³C² MXene與周?chē)h(huán)境隔離并使光電探測(cè)器穩(wěn)定工作，采用有機(jī)硅封裝的器件仍保持高性能，如外量子效率為54％，比探測(cè)率為2.09×10₁₃ Jones。這種界面改進(jìn)方法證明了開(kāi)發(fā)基于硅的弱光信號(hào)光電探測(cè)器的可能性。而且，采用簡(jiǎn)易的溶液處理工藝制備Ti³C² MXene/Si異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本和高集成度制造。

【作者簡(jiǎn)介】

宋偉東博士，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院高層次引進(jìn)人才，復(fù)旦大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者。主要研究方向?yàn)椋喊雽?dǎo)體光電材料和器件。近年來(lái)，在高水平期刊Adv. Mater., Nano Energy, Small, ACS Appl. Mater. Interfaces, ACSPhotonics, J. Mater. Chem. C等發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。