科研人員在對Ti3C2Tx溶液離心工藝和襯底親水性進(jìn)行優(yōu)化后，采用旋涂法制備了4英寸MXene薄膜，并通過優(yōu)化半導(dǎo)體光刻和干法刻蝕工藝實現(xiàn)了晶圓級MXene薄膜的圖案化，精度達(dá)到2 m（圖1）?；诖?，結(jié)合硅（Si）的光電性能，科研人員制備了MXene/Si肖特基結(jié)光電探測器，實現(xiàn)了高達(dá)7.73 1014Jones的探測度以及6.22 106的明暗電流比，為目前所報道的MXene光電探測器的最高性能（圖2）。使用碳納米管晶體管作為選通開關(guān)，科研人員制備了1晶體管-1探測器（1T1P）的像素單元（圖3），并成功構(gòu)筑了具有1024像素的高分辨率光電探測器陣列，為目前最大的MXene功能陣列（圖4）。該工作將促進(jìn)兼容主流半導(dǎo)體工藝的大規(guī)模高性能MXene電子學(xué)的發(fā)展。
該工作由中科院金屬所孫東明-成會明課題組、王曉輝課題組、南京大學(xué)王肖沐課題組、燕山大學(xué)張洪旺課題組、中科院蘇州納米所邱松-李清文課題組等單位合作完成。中科院金屬所博士生李波、朱錢兵和崔聰為文章的共同第一作者。該研究計劃得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院先導(dǎo)項目和沈陽材料科學(xué)國家研究中心等項目支持。
圖1. Ti3C2Tx/Si 光電探測器。a. 4英寸晶圓的圖案化Ti3C2Tx薄膜。 b. Ti3C2Tx薄膜的光鏡圖像（比例尺：2.5 mm）。 插圖：薄膜的SEM圖像（比例尺：10 m）。c. 光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖。 d. 光電探測器橫截面TEM圖像（比例尺：10 nm）。 e. 放大的界面TEM圖像（比例尺：4 nm）。 f. 光電探測器的光響應(yīng)特性。
圖2. Ti3C2Tx/Si光電探測器的光電特性。 a. 光電探測器能帶示意圖。 b. 響應(yīng)度、探測度隨激光功率密度的變化。c. 光開關(guān)響應(yīng)。d. 光電探測器響應(yīng)時間。e. MXene光電探測器性能對比。
圖3. 光電探測器陣列像素單元。 a. 像素單元的光鏡照片（比例尺：50 m）。 b. 像素單元工作模式真值表。 c. 像素單元的伏安特性。 d. 像素單元對控制電壓和光照的響應(yīng)。
圖4. 光電探測器陣列。a. 1024像素陣列的光鏡圖像（比例尺：3.25 mm）。 b. 探測器陣列電路圖。c. 測試系統(tǒng)。d. 基本架構(gòu)。e. 像素單元的光響應(yīng)。f. 探測器陣列的成像。
