二維過渡金屬碳化物和氮化物MXene被公認(rèn)為在電子和光電器件中具有重要應(yīng)用潛力。然而，已報道的MXene薄膜的圖案化方法難以兼顧效率、分辨率及與主流硅工藝的兼容性。例如，電子束光刻法可以實(shí)現(xiàn)較高的圖案分辨率，但效率較低，不適用于大面積圖案化；直接寫入、激光蝕刻和噴墨印刷等其他圖案化方法速度較快，卻通常缺乏足夠的分辨率。

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心與國內(nèi)多家單位科研團(tuán)隊合作，通過設(shè)計MXene材料的離心、旋涂、光刻和蝕刻工藝，提出了具有微米級分辨率的晶圓級MXene薄膜圖案化方法，并構(gòu)筑了1024高像素密度光電探測器陣列。該陣列具有優(yōu)異的均勻性、高分辨率成像能力、迄今為止最高的MXene光電探測器的探測度。相關(guān)研究成果以Patterning of wafer-scale MXene films for high-performance image sensor arrays為題，在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

科研人員對Ti?C?Tx溶液離心工藝和襯底親水性進(jìn)行優(yōu)化后，采用旋涂法制備出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(shí)現(xiàn)了晶圓級MXene薄膜的圖案化，精度達(dá)到2 μm（圖1）。基于此，結(jié)合硅（Si）的光電性能，研究制備了MXene/Si肖特基結(jié)光電探測器，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)7.73×101? Jones的探測度與6.22×10?的明暗電流比，為目前報道的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），并構(gòu)筑出具有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）。該研究將促進(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。

圖1 Ti?C?Tx/Si光電探測器。a、4英寸晶圓的圖案化Ti?C?Tx薄膜，b、Ti?C?Tx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 μm），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 Ti?C?Tx/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 μm），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

該工作由金屬所、南京大學(xué)、燕山大學(xué)、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等合作完成。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和沈陽材料科學(xué)國家研究中心等的支持。

審核編輯 ：李倩