电子科技大学巫江Adv. Funct. Mater.：二维MXene用于光探测的最新进展

【引言】

一类称为MXenes的新型2D过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物已成为微纳电子、光电子和储能领域许多应用的新候选者。自2011年首次发现以来，MXenes由于其独特的物理、化学和机械性能（可通过不同的表面功能团和过渡金属进行调节）正受到越来越多的关注。特别是出色的光电特性（包括透明性，饱和光吸收和高导电性）使MXenes在光电探测器中能够胜任各种角色，例如透明电极，肖特基触点，光吸收剂和等离激元材料。考虑到可以通过化学溶液法进行制备，MXenes也具有大规模合成的巨大潜力，因此受到许多电子和光子器件应用的青睐。

【成果简介】

电子科技大学巫江教授团队在这篇综述中，总结了基于2D MXenes的光电探测器的最新进展。尽管与其他2D材料相比，直到最近才对此类应用进行了研究，但MXenes在低成本和高性能的光探测领域显示出了不小的潜力。该成果以题为“Recent Advances in 2D MXenes for Photodetection”发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1.MXenes的示意晶体结构和电子显微镜图像

a）从MAX相到MXene的演变示意图

b）MXene M2X的晶体模型的俯视图（上）和侧视图（下）

c）具有表面功能团的功能化Ti₃C₂T_x的晶体结构

d-f）SEM图显示了经过HF处理的母体Ti₂AlC，Ti₃AlC₂和Ti₄AlC₃

g）HAADF-STEM清晰地表现了Mo₂C晶体的原子分布

图2.MXenes的光电性能

a）不同厚度的自旋铸造Ti₃C₂T_x薄膜的透射率

b）改变结构和尺寸的Ti₃C₂的FTIR光谱解析度

c）嵌入不同阳离子的Ti₃C₂T_x薄膜的透射率变化

d）通过不同蚀刻溶液合成的Ti₃C₂T_x的吸光度

e）通过DFT计算预测的太赫兹（THz）范围（0.0012-0.012 eV）内的叠层和单层（插图）Ti₃C₂片的吸光度

f）MXene和rGO之间的厚度依赖性吸收比较

g）经过不同储存处理后，透射率（厚度）不同的Ti₃C₂T_x薄膜的薄层电阻

h）Ti₃C₂T_x薄膜的时间分辨透射率稳定性

i）具有不同表面终端的Ti₃C₂T_x的透射率与薄膜电阻的关系

图3.Ti₃C₂T_x/n-Si异质结构的光电性能和光电探测器性能

a）异质结构示意图

b）不同浓度的Ti₃C₂T_x胶体溶液的透光率和电阻

c）提取的Voc和Jsc以Ti₃C₂T_x胶体溶液浓度为变量的函数曲线

d）黑暗中异质结构的排列能带结构

e）随功率强度变化在光照下的光电探测器的J-V特性

f）405 nm激光照射下光电探测器的光响应动力学

图4.与基于金的器件相比，基于MXene的光电探测器性能

a）MXene-GaAs-MXene结光电探测器的SEM图像

b）示意图说明偏置电压下MXene-GaAs-MXene结的对齐能带结构

c,d）分别由830 nm激光器在不同偏置电压下照射时，基于MXene和Ti/Au的光电探测器的功率相关光响应电流

e,f）分别由不同功率的830 nm激光器的100 fs脉冲照射的MXene和Ti/Au基光电探测器的瞬态光响应

图5.MXenes表征和对环境敏感的UV光响应性能

a）描述用于紫外光探测的部分氧化诱导的Ti₃C₂T_x-TiO₂复合材料的示意图

b）16 nm和38 nm Ti₃C₂T_x薄膜在300–1000 nm波长范围内的透光率

c）在Ar气氛中（紫色圆圈）和不具有（红色正方形）UV照明的16 nm Ti₃C₂T_x薄膜的Nyquist图

d）16 nm Ti₃C₂T_x薄膜的时间分辨电流直接暴露于空气（蓝色三角形），存储在Ar气氛（红色正方形）中，然后暴露于空气（蓝色圆圈）

e）在Ar气氛和空气中38 nm Ti₃C₂T_x薄膜的紫外光响应动力学

f）38 nm Ti₃C₂T_x薄膜的紫外光响应动力学，分别在Ar，O₂，空气和H2O蒸气气氛中衰减

图6.材料表征和光电探测器阵列性能

a）钙钛矿/MXenes光电探测器在照明下的示意图

b,c）分别为Ti₃C₂T_x和CsPbBr₃的SEM图像

d）具有各种厚度MXene电极的光电探测器的时间分辨光电流

e）电极间距离变化的光电探测器的电流-电压曲线

f）对应于入射光图案的光电流图

g）钙钛矿/MXenes光电探测器在平衡态（左）和光照下（右）的示意性能带结构

h）在从180°到60°的各种弯曲角度下光电探测器阵列的时间分辨光电流

图7.MXene和钙钛矿的材料表征以及纳米复合光电探测器的性能

a,b）分别对应制备的Ti₃C₂T_x纳米片和CsPbBr₃纳米晶体的SEM和TEM图像

c）具有各种Ti₃C₂T_x浓度的CsPbBr3/Ti₃C₂T_x纳米复合材料的光吸收光谱

d,e）分别具有不同Ti₃C₂T_x浓度的CsPbBr₃/Ti₃C₂T_x纳米复合材料的PL和TRPL光谱

f）基于CsPbBr₃/Ti₃C₂T_x纳米复合材料的光电探测器的时间分辨光电流

图8.等离激元增强光电探测器的性能

a）几层Mo₂CT_x纳米薄片的TEM图像和快速傅里叶变换（FFT）模式（插图）

b）显示柔性光电探测器阵列的数码照片

c）Mo₂CT_x纳米片的光谱波长分辨光响应

d,e）与光强度有关的光响应性能，分别包括光电流，光响应性，探测性和EQE

f）在532 nm（0.41 mW cm^-2）和660 nm（0.39 mW cm^-2）照明下的五个MXene之间的开/关电流比比较

g）58 nm Mo₂CT_x纳米片的EELS，归一化为在2.45 eV分辨的横向表面等离子体激元峰

h）示意图描述了在光照下将器件偏置时，等离子体辅助热载流子向Au电极传输的过程

图9.Mo₂C/MoS₂光电探测器的光响应特性

a,i）分别具有固定和不同光栅周期的Mo₂C/MoS₂光电探测器的示意图

b）显示堆叠的Mo₂C/MoS₂杂化结和周期性光栅结构的ΔΦ映射图像

c）横断面高分辨率TEM（HR-TEM）图像，用于识别SiO₂衬底上的Mo₂C/MoS₂异质结构

d）分别基于具有不同光栅周期的纯MoS₂和Mo₂C/MoS₂异质结构的宽带光谱分辨光电探测器的光电流

e-h）与400-1000 nm的不同图案周期相比，Mo₂C光栅的模拟归一化ECS光谱随波长的变化

j）基于纯MoS₂和Mo₂C/MoS₂异质结构的光电探测器在同一条带上分别具有不同的光栅周期的入射波长分辨光响应性

k）在不同波长的光照下，器件的入射光密度取决于入射功率密度

【总结】

MXenes表现出有趣的材料特性，并且作者已经基于此类特性回顾了MXene相关光电探测器的最新进展，包括光电导体，自供电光电探测器和等离激元辅助光电探测器。MXenes的光学和电学属性（例如，取决于厚度的透射率和吸收率，可饱和吸收率和高电导率）对于光检测是理想的。这些特征可以通过不同的蚀刻方案，表面官能团和化学插层来调节。可控的光学和电气特性使MXenes在光电探测器中发挥各种作用，并为不同的设备配置提供了多功能平台。在第3节中，并入光电探测器的MXenes具有以下作用：1）透明电极，得益于良好的透光率和金属导电性； 2）肖特基接触，由于可调节的WF在1.6至8.0 eV的宽范围内变化； 3）光吸收剂，与潜在的饱和吸收有关；4）等离激元光子材料，由金属行为产生。尽管已经对这种应用进行了少量探索，但MXenes在光检测领域显示出了希望。相关的研究越来越有吸引力，特别是在预计将发现更有趣的MXenes特性之后。

文献链接：Recent Advances in 2D MXenes for Photodetection. Adv. Funct.  Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202000907.

信息来源：材料牛

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