電子科技大學巫江Adv. Funct. Mater.：二維MXene用于光探測的最新進展

【引言】

一類稱為MXenes的新型2D過渡金屬碳化物、碳氮化物和氮化物已成為微納電子、光電子和儲能領域許多應用的新候選者。自2011年首次發現以來，MXenes由于其獨特的物理、化學和機械性能（可通過不同的表面功能團和過渡金屬進行調節）正受到越來越多的關注。特別是出色的光電特性（包括透明性，飽和光吸收和高導電性）使MXenes在光電探測器中能夠勝任各種角色，例如透明電極，肖特基觸點，光吸收劑和等離激元材料。考慮到可以通過化學溶液法進行制備，MXenes也具有大規模合成的巨大潛力，因此受到許多電子和光子器件應用的青睞。

【成果簡介】

電子科技大學巫江教授團隊在這篇綜述中，總結了基于2D MXenes的光電探測器的最新進展。盡管與其他2D材料相比，直到最近才對此類應用進行了研究，但MXenes在低成本和高性能的光探測領域顯示出了不小的潛力。該成果以題為“Recent Advances in 2D MXenes for Photodetection”發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.MXenes的示意晶體結構和電子顯微鏡圖像

a）從MAX相到MXene的演變示意圖

b）MXene M2X的晶體模型的俯視圖（上）和側視圖（下）

c）具有表面功能團的功能化Ti₃C₂T_x的晶體結構

d-f）SEM圖顯示了經過HF處理的母體Ti₂AlC，Ti₃AlC₂和Ti₄AlC₃

g）HAADF-STEM清晰地表現了Mo₂C晶體的原子分布

圖2.MXenes的光電性能

a）不同厚度的自旋鑄造Ti₃C₂T_x薄膜的透射率

b）改變結構和尺寸的Ti₃C₂的FTIR光譜解析度

c）嵌入不同陽離子的Ti₃C₂T_x薄膜的透射率變化

d）通過不同蝕刻溶液合成的Ti₃C₂T_x的吸光度

e）通過DFT計算預測的太赫茲（THz）范圍（0.0012-0.012 eV）內的疊層和單層（插圖）Ti₃C₂片的吸光度

f）MXene和rGO之間的厚度依賴性吸收比較

g）經過不同儲存處理后，透射率（厚度）不同的Ti₃C₂T_x薄膜的薄層電阻

h）Ti₃C₂T_x薄膜的時間分辨透射率穩定性

i）具有不同表面終端的Ti₃C₂T_x的透射率與薄膜電阻的關系

圖3.Ti₃C₂T_x/n-Si異質結構的光電性能和光電探測器性能

a）異質結構示意圖

b）不同濃度的Ti₃C₂T_x膠體溶液的透光率和電阻

c）提取的Voc和Jsc以Ti₃C₂T_x膠體溶液濃度為變量的函數曲線

d）黑暗中異質結構的排列能帶結構

e）隨功率強度變化在光照下的光電探測器的J-V特性

f）405 nm激光照射下光電探測器的光響應動力學

圖4.與基于金的器件相比，基于MXene的光電探測器性能

a）MXene-GaAs-MXene結光電探測器的SEM圖像

b）示意圖說明偏置電壓下MXene-GaAs-MXene結的對齊能帶結構

c,d）分別由830 nm激光器在不同偏置電壓下照射時，基于MXene和Ti/Au的光電探測器的功率相關光響應電流

e,f）分別由不同功率的830 nm激光器的100 fs脈沖照射的MXene和Ti/Au基光電探測器的瞬態光響應

圖5.MXenes表征和對環境敏感的UV光響應性能

a）描述用于紫外光探測的部分氧化誘導的Ti₃C₂T_x-TiO₂復合材料的示意圖

b）16 nm和38 nm Ti₃C₂T_x薄膜在300–1000 nm波長范圍內的透光率

c）在Ar氣氛中（紫色圓圈）和不具有（紅色正方形）UV照明的16 nm Ti₃C₂T_x薄膜的Nyquist圖

d）16 nm Ti₃C₂T_x薄膜的時間分辨電流直接暴露于空氣（藍色三角形），存儲在Ar氣氛（紅色正方形）中，然后暴露于空氣（藍色圓圈）

e）在Ar氣氛和空氣中38 nm Ti₃C₂T_x薄膜的紫外光響應動力學

f）38 nm Ti₃C₂T_x薄膜的紫外光響應動力學，分別在Ar，O₂，空氣和H2O蒸氣氣氛中衰減

圖6.材料表征和光電探測器陣列性能

a）鈣鈦礦/MXenes光電探測器在照明下的示意圖

b,c）分別為Ti₃C₂T_x和CsPbBr₃的SEM圖像

d）具有各種厚度MXene電極的光電探測器的時間分辨光電流

e）電極間距離變化的光電探測器的電流-電壓曲線

f）對應于入射光圖案的光電流圖

g）鈣鈦礦/MXenes光電探測器在平衡態（左）和光照下（右）的示意性能帶結構

h）在從180°到60°的各種彎曲角度下光電探測器陣列的時間分辨光電流

圖7.MXene和鈣鈦礦的材料表征以及納米復合光電探測器的性能

a,b）分別對應制備的Ti₃C₂T_x納米片和CsPbBr₃納米晶體的SEM和TEM圖像

c）具有各種Ti₃C₂T_x濃度的CsPbBr3/Ti₃C₂T_x納米復合材料的光吸收光譜

d,e）分別具有不同Ti₃C₂T_x濃度的CsPbBr₃/Ti₃C₂T_x納米復合材料的PL和TRPL光譜

f）基于CsPbBr₃/Ti₃C₂T_x納米復合材料的光電探測器的時間分辨光電流

圖8.等離激元增強光電探測器的性能

a）幾層Mo₂CT_x納米薄片的TEM圖像和快速傅里葉變換（FFT）模式（插圖）

b）顯示柔性光電探測器陣列的數碼照片

c）Mo₂CT_x納米片的光譜波長分辨光響應

d,e）與光強度有關的光響應性能，分別包括光電流，光響應性，探測性和EQE

f）在532 nm（0.41 mW cm^-2）和660 nm（0.39 mW cm^-2）照明下的五個MXene之間的開/關電流比比較

g）58 nm Mo₂CT_x納米片的EELS，歸一化為在2.45 eV分辨的橫向表面等離子體激元峰

h）示意圖描述了在光照下將器件偏置時，等離子體輔助熱載流子向Au電極傳輸的過程

圖9.Mo₂C/MoS₂光電探測器的光響應特性

a,i）分別具有固定和不同光柵周期的Mo₂C/MoS₂光電探測器的示意圖

b）顯示堆疊的Mo₂C/MoS₂雜化結和周期性光柵結構的ΔΦ映射圖像

c）橫斷面高分辨率TEM（HR-TEM）圖像，用于識別SiO₂襯底上的Mo₂C/MoS₂異質結構

d）分別基于具有不同光柵周期的純MoS₂和Mo₂C/MoS₂異質結構的寬帶光譜分辨光電探測器的光電流

e-h）與400-1000 nm的不同圖案周期相比，Mo₂C光柵的模擬歸一化ECS光譜隨波長的變化

j）基于純MoS₂和Mo₂C/MoS₂異質結構的光電探測器在同一條帶上分別具有不同的光柵周期的入射波長分辨光響應性

k）在不同波長的光照下，器件的入射光密度取決于入射功率密度

【總結】

MXenes表現出有趣的材料特性，并且作者已經基于此類特性回顧了MXene相關光電探測器的最新進展，包括光電導體，自供電光電探測器和等離激元輔助光電探測器。MXenes的光學和電學屬性（例如，取決于厚度的透射率和吸收率，可飽和吸收率和高電導率）對于光檢測是理想的。這些特征可以通過不同的蝕刻方案，表面官能團和化學插層來調節。可控的光學和電氣特性使MXenes在光電探測器中發揮各種作用，并為不同的設備配置提供了多功能平臺。在第3節中，并入光電探測器的MXenes具有以下作用：1）透明電極，得益于良好的透光率和金屬導電性； 2）肖特基接觸，由于可調節的WF在1.6至8.0 eV的寬范圍內變化； 3）光吸收劑，與潛在的飽和吸收有關；4）等離激元光子材料，由金屬行為產生。盡管已經對這種應用進行了少量探索，但MXenes在光檢測領域顯示出了希望。相關的研究越來越有吸引力，特別是在預計將發現更有趣的MXenes特性之后。

文獻鏈接：Recent Advances in 2D MXenes for Photodetection. Adv. Funct. ?Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202000907.

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