MXene材料打开制造光电探测器的新思路

来源：两江科技评论

光电探测器是将光携带的信息转换为电子电路和计算机能够处理的电信号的元器件。光电探测器是电视遥控器和光学运动感测设备等日常设备的常用元件，也是许多人工智能（AI）和物联网（IoT）技术的关键元器件。不过，数据中心和通信应用是对光电探测器需求最大、增长速度最快的市场。数据中心每年部署千万颗光电探测器，才能满足计算技术对存储空间不断增长的需求。

德雷塞尔大学（Drexel University）的研究人员开发了一种简单的旋涂法，用MXene材料制作光电探测器，MXene材料可以满足大规模数据中心和物联网技术对器件的生产需求。

上述行业的发展引发了对光电探测器需求量的激增。但光电探测器的制造，需要昂贵的材料（例如金和钛）和资本密集型设备，后者才能提供高度受控的工艺条件，但维护成本昂贵。

据报道，德雷塞尔大学的研究人员最近报告了一种新的制造光电探测器的方法，该方法使用一种称为MXene的二维材料来提高传感器的灵敏度，并能大大降低生产成本。

MXene材料示意图

注：MXene是一类新型碳/氨化物二维纳米层状材料，一般是利用化学刻蚀的手段通过选择性刻蚀掉前驱体MAX相中的A原子层而得到。其通式可表示为Mn+1XnTx，其中M代表早期过渡族金属，X代表碳和/或氨，Tx代表MXene在刻蚀过程中产生的附着在其表面的官能团（-OH、-F等）。在复合材料、润滑剂、环境污染治理、电池、电容器、催化、传感器、抗菌等领域具有潜在的应用价值。

最近发表在期刊Advanced Materials上的研究表明，该小组展示了如何用半透明薄层MXene材料代替金（Au），在提高生产工艺能力的同时，性能水平有望超过当前表现最佳的光电探测器。

德雷塞尔大学工程学院的助理研究员，该论文的合著者Pouya Dianat博士说：“这是一项重要的进展。因为到2024年，预计全球光电探测器的市场规模将达到20亿美元，因此迫切需要增加制备光电探测器的工艺流程选择，并找到更多的可持续材料。”

光电探测器将光辐射转换成电流。金（Au）具有高导电性，通常作为接触材料，将探测器材料连接到电路的其余部分。光电探测器在一系列需要快速传输大量数据的应用中变得越来越普遍。例如在线购物逐渐成为大众购物习惯后，对自动组装、包装和交付系统的需求就越来越高。高耸货架上的商品信息利用数据中心可实现无障碍传输。

简单的旋涂工艺沉积MXene薄层，用作光电探测器中的关键组件，从而赋能光纤数据传输、激光雷达和许多物联网设备。由于MXene是二维薄层材料，应用形态多样（从“喷漆、粘土”到“油墨”），并保持高导电性，因此其薄膜形式已成为一种非常具有吸引力的光电探测器电极的透明材料候选者。

“制造光电探测器的最大挑战之一是金（Au）接触点的沉积。金（Au）本身成本高，制造过程还必须在高温和真空室中进行，制造成本也非常高。”博士论文研究员、论文主要作者Kiana Montazeri博士说道，“我们正在用成本低廉的MXene材料代替金（Au），并通过使用台式旋转器在大气条件下进行沉积，完成光电探测器的制造。”

这种薄膜沉积工艺的工作原理类似于将一滴墨水放入离心机中，然后将所产生的飞溅物从腔壁剥离。作为一种可以在普通大气条件下完成的简单工艺，利用图案化基板完成，并轻松地用MXene材料批量生产光电探测器。

光电探测器的灵敏度与光敏材料的表面积有关。尽管大家更希望得到表面积更大的传感器，但尺寸越大，需要的光功率也越高，会导致响应变慢。由于MXene薄膜具有导电性，因此可以在传感器的多个组件中使用，几乎将器件的整个表面变成感应区，且不会降低其能量效率或性能。

“之所以对MXenes材料有兴趣的原因有很多，其中最主要的一点是它们可以与水混合制成喷剂和油墨，同时保持适合的导电性，”德雷塞尔大学工程学员教授、论文合著者Bahram Nabet博士说道，“使用透明MXene薄膜做光电探测器的触点具有明显的优势，因为它能减少载流子传输距离和响应度之间的折衷。”

研究人员在论文中表明，就灵敏度而言，用MXene薄膜制造的光电探测器性能优于用金（Au）实现的同类器件的四倍。这意味着它们可使数据中心更加节能。

“这项工作的下一步计划是继续标准化生产工艺，并开发出稳定MXene组件的方法，以实现在各种环境和条件下使用。”工程学院杰出教授Michel Barsoum博士说，“我们希望这一发现将为MXene在各种光电器件（例如光电二极管和光电晶体管）以及微电子技术、光子集成电路和硅光子技术等使能技术打开大门。