MXene晶圆级光电探测器研究获进展

二维过渡金属碳化物和氮化物MXene被公认为在电子和光电器件中具有重要应用潜力。然而，已报道的MXene薄膜的图案化方法难以兼顾效率、分辨率及与主流硅工艺的兼容性。例如，电子束光刻法可以实现较高的图案分辨率，但效率较低，不适用于大面积图案化；直接写入、激光蚀刻和喷墨印刷等其他图案化方法速度较快，却通常缺乏足够的分辨率。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心与国内多家单位科研团队合作，通过设计MXene材料的离心、旋涂、光刻和蚀刻工艺，提出了具有微米级分辨率的晶圆级MXene薄膜图案化方法，并构筑了1024高像素密度光电探测器阵列。该阵列具有优异的均匀性、高分辨率成像能力、迄今为止最高的MXene光电探测器的探测度。相关研究成果以Patterning of wafer-scale MXene films for high-performance image sensor arrays为题，在线发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。

科研人员对Ti₃C₂T_x溶液离心工艺和衬底亲水性进行优化后，采用旋涂法制备出4英寸MXene薄膜，并通过优化半导体光刻和干法刻蚀工艺实现了晶圆级MXene薄膜的图案化，精度达到2 μm（图1）。基于此，结合硅（Si）的光电性能，研究制备了MXene/Si肖特基结光电探测器，实现了高达7.73×10¹⁴ Jones的探测度与6.22×10⁶的明暗电流比，为目前报道的MXene光电探测器的最高性能（图2）。使用碳纳米管晶体管作为选通开关，科研人员制备了1晶体管-1探测器（1T1P）的像素单元（图3），并构筑出具有1024像素的高分辨率光电探测器阵列，为目前最大的MXene功能阵列（图4）。该研究将促进兼容主流半导体工艺的大规模高性能MXene电子学的发展。

该工作由金属所、南京大学、燕山大学、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等合作完成。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项和沈阳材料科学国家研究中心等的支持。

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图1.Ti₃C₂T_x/Si 光电探测器。a、4英寸晶圆的图案化Ti₃C₂T_x薄膜，b、Ti₃C₂T_x薄膜的光镜图像（比例尺：2.5 mm），插图：薄膜的SEM图像（比例尺：10 μm），c、光电探测器结构示意图，d、光电探测器横截面TEM图像（比例尺：10 nm），e、放大的界面TEM图像（比例尺：4 nm），f、光电探测器的光响应特性

图2.Ti₃C₂T_x/Si光电探测器的光电特性。a、光电探测器能带示意图，b、响应度、探测度随激光功率密度的变化，c、光开关响应，d、光电探测器响应时间，e、MXene光电探测器性能对比

图3.光电探测器阵列像素单元。a、像素单元的光镜照片（比例尺：50 μm），b、像素单元工作模式真值表，c、像素单元的伏安特性，d、像素单元对控制电压和光照的响应

图4.光电探测器阵列。a、1024像素阵列的光镜图像（比例尺：3.25 mm），b、探测器阵列电路图，c、测试系统，d、基本架构，e、像素单元的光响应，f、探测器阵列的成像