電子科技大學巫江教授團隊Mater. Horiz.: MXene-鈣鈦礦可見至近紅外寬譜探測器陣列

引言

金屬鹵化物鈣鈦礦材料，具有高吸收系數，高擴散長度和可調帶隙等優點，是下一代低成本、高性能光電材料的重要候選，引了廣泛的研究興趣。鈣鈦礦材料可以通過當前成熟的高效制備技術（如旋涂、噴涂或噴墨打印）進行多步驟的沉積加工，有效克服傳統無機材料（例如：硅、鍺和砷化鎵等）制備工藝復雜、成本高等缺點，為實現低成本、工業化制備提供了一種行之有效的替代途徑。盡管近年來在鈣鈦礦材料機理和性能優化方面的研究取得了相當大的進展，但是由于鈣鈦礦材料存在固有的水氧不穩定性，基于鈣鈦礦材料的成像陣列目前面臨極大的工藝難題，包括：材料合成、器件小型化和集成化等。同時，目前已有報道的鈣鈦礦成像陣列制備方法都基于嚴格控制材料生長的方法，該類方法工藝要求嚴格，難以實現穩定、高品質因子的大面陣器件。因此，發展鈣鈦礦材料可控圖形化的制備技術極為重要。另外，如果鈣鈦礦材料中費米能級與電極的功函數之間存在不匹配，將會降低載流子輸運效率，從而降低器件性能。對于制作光電導和晶體管探測器而言，實現歐姆接觸對于研究材料本征的性質和提到器件性能至關重要，因此目前面臨的另一個關鍵問題是如何在鈣鈦礦材料和電極材料之間形成良好的歐姆接觸。MXene作為一種新興的二維材料，由于其獨特的二維結構使其具有特殊的化學性質和表面共功能團，表現出優異的材料性能，例如：近似金屬的導電性、化學穩定性、機械彈性、良好的溶液分散性和可調的功函數(1.6-6.2eV)。這種功函數可調的特性使得MXene成為與各種半導體材料形成良好歐姆接觸的理想材料。此外，MXene還可以在低溫和空氣氣氛下進行溶解制備，因而能夠實現快速、低成本、互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的制備工藝。

成果簡介

近日，電子科技大學巫江教授和四川大學趙德威教授報道了一種通過激光直寫技術實現基于MXene電極和鈣鈦礦吸收層探測器陣列的方法，該方法回避了光刻等復雜加工工藝，有效解決了鈣鈦礦薄膜和MXene電極的小型化、圖形化問題，同時結合MXene與鈣鈦礦材料可溶液法制備的優勢，開發了具有1250像素大面陣光電導型探測器陣列。該器件具有可見至近紅外（400-810 nm）的寬帶光譜響應能力、高響應率（84.77 AW^-1）、高探測率（3.22×10¹² Jones）和優異的線性動態范圍（82 dB），同時實現了近紅外成像演示。該工作為發展新一代低成本、大面陣和高性能光電探測器成像陣列提供了一種新思路。該成果以題為“Direct laser-patterned MXene-perovskite image sensor arrays for visible-near infrared photodetection”發表在國際著名期刊Materials Horizons上。

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圖文導讀

圖一 Ti₃C₂T_x MXene結構和形貌表征

(a) Ti₃C₂T_x MXene的合成與結構示意圖；(b) Ti₃AlC₂ MAX粉末與少層Ti₃C₂T_x MXene薄膜的XRD圖譜；(c) 少層Ti₃C₂T_x MXene薄膜的Raman光譜；少層Ti₃C₂T_x MXene薄膜的(d) Ti 2p和(e) C 1s的XPS圖譜；(f) 單層Ti₃C₂T_x MXene納米片的明場TEM圖像；(g) 單層Ti₃C₂T_x MXene納米片的暗場TEM、STEM-HAADF、EDS圖像； (h) 單層Ti₃C₂T_x MXene納米片的HR-TEM圖像。

圖二 Ti₃C₂T_x MXene與CsFAMAPbIBr鈣鈦礦能帶結構表征

(a)二次電子截止變附近的UPS能譜；(b)費米邊附近的UPS能譜；(c) CsFAMAPbIBr鈣鈦礦的PL譜和(αhν)²-hν曲線；(d)-(g) 功函數排列及載流子輸運示意圖。

圖三 探測器陣列的制備工藝和器件結構

(a) 基于溶液法和激光直寫制備MXene-鈣鈦礦探測器陣列流程圖；(b) 具有25x50像素的探測器陣列；(c) 光電導型像素單元結構；(d) 器件像素單元顯微圖像。

圖四 器件寬譜光響應特性

?(a) 可見-近紅外(405-808 nm)波長下的I-V特性曲線；(b) 可見-近紅外(405-808 nm)波長變光強的開關特性；(c) 器件近紅外干涉增強吸收模擬曲線；(d) 器件截面的模擬電池模分布。

圖五 器件性能表征及紅外成像演示

?(a) 器件瞬態光響應曲線；(b) 可見-近紅外(405-808 nm)波長下的線性動態范圍；(c) 可見-近紅外(405-808 nm)波長下的響應率和探測率；(d) 探測器陣列對808 nm近紅外光圖案的成像演示；(e) 探測器陣列的性能與像素水平比較。

小結

綜上所述，本文提出了一種激光直寫制備大面陣MXene-鈣鈦礦探測器陣列的方法。結合兩種材料的在能帶結構和可溶液法制備等特性優勢，直接實現對MXene電極和鈣鈦礦吸收層由大尺度到小尺度的精密加工，解決鈣鈦礦器件的圖形化問題，實現了COMS兼容的全溶液法制備工藝。得益于兩種材料之間良好的能級匹配和近紅外干涉增強，器件獲得了可見-近紅外(400-810 nm)的寬光譜響應能力，以及高響應率(84.77 AW^-1)、高探測率(3.22×10¹² Jones)和優異的線性動態范圍(82 dB)。同時，具有1250像素的大面陣器件在808 nm近紅外光下實現了良好圖像捕獲功能。該工作將為下一代低成本、大面陣和高性能鈣鈦礦基探測器陣列的設計和加工提供創新性解決方案。

文章鏈接：

Direct laser-patterned MXene-perovskite image sensor arrays for visible-near infrared photodetection. Mater. Horiz., 2020, DOI: 10.1039/D0MH00537A.