Small:Ti3C2 MXene/Si界面调控提升自驱动光电探测器响应度和探测率应用于微弱光信号检测

【研究背景】

MXene具有出色的电子和光学特性,这使它们能够在光电器件中发挥丰富的作用,例如作为透明电极、肖特基接触、光吸收体和等离子体材料等。并且MXene材料可以通过旋涂,滴涂,喷涂,喷墨印刷等方法进行溶液加工,有望实现大规模、低成本光电器件制造。

通过构筑MXene/体半导体范德华异质结是构建高性能光电探测器的有效方法。MXene可以和各种体半导体材料兼容,在制造异质结时无需像常规异质外延法那样考虑晶格失配条件。但是,受限于体材料高密度表面态,这导致范德华异质结光电探测器暗态漏电流大,响应度和探测率低,限制了其实际应用。

【成果简介】

近日,五邑大学宋伟东博士和复旦大学方晓生教授合作报道了一种通过简易的化学溶液生长界面SiOx层改善界面质量的方法,发现该方法可同时抑制Ti3C2 MXene/Si光电探测器暗电流和改善光响应。该探测器在自驱动模式下,具有超高的比探测率(2.03×1013 Jones)和响应度(402 mA/W)。同时,该探测器光暗比超过106,外量子效率峰值可达到60.3%。

【图文导读】

图1. Ti3C2材料微观形貌、XRD、UPS和光学特性。(a)剥离的Ti3C2纳米片和(b)Ti3C2纳米片喷涂沉积在硅上制备的薄膜SEM图。Ti3C2纳米膜(c)XRD、(d)UPS和(e)UV-Vis测试。

图2. 通过界面调控改善Ti3C2/Si光电探测器的光电特性。(a)Ti3C2/界面SiOx层/Si光电探测器示意图。(b)化学溶液生长界面SiOx层前后异质结能带结构。(c)不同界面的Ti3C2/Si光电探测器光、暗I-V曲线。(d)在0V偏压下,Ti3C2/界面生长SiOx层/Si光电探测器暗电流测试。

图3. Ti3C2/界面生长SiOx层/Si探测器光电性能。(a)光电流和外量子效率。(b)响应度和比探测率谱。(c)不同波长下开关测试。(d)调制频率为1Hz和100Hz下的NEP谱。

图4. 波长为900nm在不同光照强度下(a)I-V和(b)I-T曲线。(c)短路电流和开路电压随光功率的变化曲线。(d)响应度和比探测率随光功率的变化曲线。(e)响应度和比探测率与文献报道和商用探测器对比。

图5. 器件响应速度测试。

图6. 用有机硅胶封装器件后的光电性能。封装器件光暗(a)I-V和(b)I-T曲线。(c)外量子效率和响应度谱。(d)比探测率谱。

【本文总结】

利用化学溶液再生长界面氧化层提高Si界面质量,同时改善了自供电Ti3C2 MXene/Si异质结光电探测器光响应和暗态漏电问题。与没有界面SiOx层的器件相比,暗电流减少了一个数量级;与自然生长界面氧化层的器件比,光电流提升了两个数量级。改进的光电探测器具有很高的光电探测性能,获得了包括2.03×1013 Jones的超高比探测率和零偏压下的402 mA W-1的高响应度,并且该性能不会随着光功率的增加而明显下降。此外,该探测器信噪比高,光开/关比超过106,外量子效率峰值达到60.3%,上升/下降时间为0.14/1.6 ms。为了将Ti3C2 MXene与周围环境隔离并使光电探测器稳定工作,采用有机硅封装的器件仍保持高性能,如外量子效率为54%,比探测率为2.09×1013 Jones。这种界面改进方法证明了开发基于硅的弱光信号光电探测器的可能性。而且,采用简易的溶液处理工艺制备Ti3C2 MXene/Si异质结光电探测器有望实现大规模、低成本和高集成度制造。

【作者简介】

宋伟东博士,五邑大学应用物理与材料学院高层次引进人才,复旦大学访问学者。主要研究方向为:半导体光电材料和器件。近年来,在高水平期刊Adv. Mater., Nano Energy, Small, ACS Appl. Mater. Interfaces, ACS Photonics, J. Mater. Chem. C等发表学术论文20余篇。

论文信息:

Interface Engineering Ti3C2 MXene/Silicon Self-powered Photodetectors with High Responsivity and Detectivity for Weak Light Applications

Weidong Song*, Qing Liu, Jiaxin Chen, Zhao Chen, Xin He, Qingguang Zeng, Shuti Li, Longfei He, Zhitao Chen, Xiaosheng Fang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100439