MXene具有出色的電子和光學特性，這使它們能夠在光電器件中發揮豐富的作用，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材料可以通過旋涂，滴涂，噴涂，噴墨印刷等方法進行溶液加工，有望實現大規模、低成本光電器件制造。
通過構筑MXene/體半導體范德華異質結是構建高性能光電探測器的有效方法。MXene可以和各種體半導體材料兼容，在制造異質結時無需像常規異質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，這導致范德華異質結光電探測器暗態漏電流大，響應度和探測率低，限制了其實際應用。
近日，五邑大學宋偉東博士和復旦大學方曉生教授合作在國際知名期刊Small上發表一篇題目為Interface Engineering Ti3C2 MXene/Silicon Self-powered Photodetectors with High Responsivity and Detectivity for Weak Light Applications的研究論文，報道了一種通過簡易的化學溶液生長界面SiOx層改善界面質量的方法，發現該方法可同時抑制Ti3C2MXene/Si光電探測器暗電流和改善光響應。該探測器在自驅動模式下，具有超高的比探測率（2.03×1013 Jones）和響應度（402 mA W-1）。同時，該探測器光暗比超過106，外量子效率峰值可達到60.3%。
圖1. Ti3C2材料微觀形貌、XRD、UPS和光學特性。（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測試。
圖2. 通過界面調控改善Ti3C2/Si光電探測器的光電特性。（a）Ti3C2/界面SiOx層/Si光電探測器示意圖。（b）化學溶液生長界面SiOx層前后異質結能帶結構。（c）不同界面的Ti3C2/Si光電探測器光、暗I-V曲線。（d）在0V偏壓下，Ti3C2/界面生長SiOx層/Si光電探測器暗電流測試。
圖3. Ti3C2/界面生長SiOx層/Si探測器光電性能。（a）光電流和外量子效率。（b）響應度和比探測率譜。（c）不同波長下開關測試。（d）調制頻率為1Hz和100Hz下的NEP譜。
圖4. 波長為900nm在不同光照強度下（a）I-V和（b）I-T曲線。（c）短路電流和開路電壓隨光功率的變化曲線。（d）響應度和比探測率隨光功率的變化曲線。（e）響應度和比探測率與文獻報道和商用探測器對比。
圖5. 器件響應速度測試。
圖6. 用有機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。（c）外量子效率和響應度譜。（d）比探測率譜。
利用化學溶液再生長界面氧化層提高Si界面質量，同時改善了自供電Ti3C2MXene/Si異質結光電探測器光響應和暗態漏電問題。與沒有界面SiOx層的器件相比，暗電流減少了一個數量級；與自然生長界面氧化層的器件比，光電流提升了兩個數量級。改進的光電探測器具有很高的光電探測性能，獲得了包括2.03×1013 Jones的超高比探測率和零偏壓下的402 mA W-1的高響應度，并且該性能不會隨著光功率的增加而明顯下降。此外，該探測器信噪比高，光開/關比超過106，外量子效率峰值達到60.3％，上升/下降時間為0.14/1.6 ms。為了將Ti3C2 MXene與周圍環境隔離并使光電探測器穩定工作，采用有機硅封裝的器件仍保持高性能，如外量子效率為54％，比探測率為2.09×1013 Jones。這種界面改進方法證明了開發基于硅的弱光信號光電探測器的可能性。而且，采用簡易的溶液處理工藝制備Ti3C2 MXene/Si異質結光電探測器有望實現大規模、低成本和高集成度制造。
【作者簡介】
宋偉東博士，五邑大學應用物理與材料學院高層次引進人才，復旦大學訪問學者。主要研究方向為：半導體光電材料和器件。近年來，在高水平期刊Adv. Mater., Nano Energy, Small, ACS Appl. Mater. Interfaces, ACSPhotonics, J. Mater. Chem. C等發表學術論文20余篇。
