电子科技大学巫江教授团队Mater. Horiz.: MXene-钙钛矿可见至近红外宽谱探测器阵列

引言

金属卤化物钙钛矿材料，具有高吸收系数，高扩散长度和可调带隙等优点，是下一代低成本、高性能光电材料的重要候选，引了广泛的研究兴趣。钙钛矿材料可以通过当前成熟的高效制备技术（如旋涂、喷涂或喷墨打印）进行多步骤的沉积加工，有效克服传统无机材料（例如：硅、锗和砷化镓等）制备工艺复杂、成本高等缺点，为实现低成本、工业化制备提供了一种行之有效的替代途径。尽管近年来在钙钛矿材料机理和性能优化方面的研究取得了相当大的进展，但是由于钙钛矿材料存在固有的水氧不稳定性，基于钙钛矿材料的成像阵列目前面临极大的工艺难题，包括：材料合成、器件小型化和集成化等。同时，目前已有报道的钙钛矿成像阵列制备方法都基于严格控制材料生长的方法，该类方法工艺要求严格，难以实现稳定、高品质因子的大面阵器件。因此，发展钙钛矿材料可控图形化的制备技术极为重要。另外，如果钙钛矿材料中费米能级与电极的功函数之间存在不匹配，将会降低载流子输运效率，从而降低器件性能。对于制作光电导和晶体管探测器而言，实现欧姆接触对于研究材料本征的性质和提到器件性能至关重要，因此目前面临的另一个关键问题是如何在钙钛矿材料和电极材料之间形成良好的欧姆接触。MXene作为一种新兴的二维材料，由于其独特的二维结构使其具有特殊的化学性质和表面共功能团，表现出优异的材料性能，例如：近似金属的导电性、化学稳定性、机械弹性、良好的溶液分散性和可调的功函数(1.6-6.2eV)。这种功函数可调的特性使得MXene成为与各种半导体材料形成良好欧姆接触的理想材料。此外，MXene还可以在低温和空气气氛下进行溶解制备，因而能够实现快速、低成本、互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的制备工艺。

成果简介

近日，电子科技大学巫江教授和四川大学赵德威教授报道了一种通过激光直写技术实现基于MXene电极和钙钛矿吸收层探测器阵列的方法，该方法回避了光刻等复杂加工工艺，有效解决了钙钛矿薄膜和MXene电极的小型化、图形化问题，同时结合MXene与钙钛矿材料可溶液法制备的优势，开发了具有1250像素大面阵光电导型探测器阵列。该器件具有可见至近红外（400-810 nm）的宽带光谱响应能力、高响应率（84.77 AW^-1）、高探测率（3.22×10¹² Jones）和优异的线性动态范围（82 dB），同时实现了近红外成像演示。该工作为发展新一代低成本、大面阵和高性能光电探测器成像阵列提供了一种新思路。该成果以题为“Direct laser-patterned MXene-perovskite image sensor arrays for visible-near infrared photodetection”发表在国际著名期刊Materials Horizons上。

图文导读

图一 Ti₃C₂T_x MXene结构和形貌表征

(a) Ti₃C₂T_x MXene的合成与结构示意图；(b) Ti₃AlC₂ MAX粉末与少层Ti₃C₂T_x MXene薄膜的XRD图谱；(c) 少层Ti₃C₂T_x MXene薄膜的Raman光谱；少层Ti₃C₂T_x MXene薄膜的(d) Ti 2p和(e) C 1s的XPS图谱；(f) 单层Ti₃C₂T_x MXene纳米片的明场TEM图像；(g) 单层Ti₃C₂T_x MXene纳米片的暗场TEM、STEM-HAADF、EDS图像； (h) 单层Ti₃C₂T_x MXene纳米片的HR-TEM图像。

图二 Ti₃C₂T_x MXene与CsFAMAPbIBr钙钛矿能带结构表征

(a)二次电子截止变附近的UPS能谱；(b)费米边附近的UPS能谱；(c) CsFAMAPbIBr钙钛矿的PL谱和(αhν)²-hν曲线；(d)-(g) 功函数排列及载流子输运示意图。

图三 探测器阵列的制备工艺和器件结构

(a) 基于溶液法和激光直写制备MXene-钙钛矿探测器阵列流程图；(b) 具有25x50像素的探测器阵列；(c) 光电导型像素单元结构；(d) 器件像素单元显微图像。

图四 器件宽谱光响应特性

 (a) 可见-近红外(405-808 nm)波长下的I-V特性曲线；(b) 可见-近红外(405-808 nm)波长变光强的开关特性；(c) 器件近红外干涉增强吸收模拟曲线；(d) 器件截面的模拟电池模分布。

图五 器件性能表征及红外成像演示

 (a) 器件瞬态光响应曲线；(b) 可见-近红外(405-808 nm)波长下的线性动态范围；(c) 可见-近红外(405-808 nm)波长下的响应率和探测率；(d) 探测器阵列对808 nm近红外光图案的成像演示；(e) 探测器阵列的性能与像素水平比较。

小结

综上所述，本文提出了一种激光直写制备大面阵MXene-钙钛矿探测器阵列的方法。结合两种材料的在能带结构和可溶液法制备等特性优势，直接实现对MXene电极和钙钛矿吸收层由大尺度到小尺度的精密加工，解决钙钛矿器件的图形化问题，实现了COMS兼容的全溶液法制备工艺。得益于两种材料之间良好的能级匹配和近红外干涉增强，器件获得了可见-近红外(400-810 nm)的宽光谱响应能力，以及高响应率(84.77 AW^-1)、高探测率(3.22×10¹² Jones)和优异的线性动态范围(82 dB)。同时，具有1250像素的大面阵器件在808 nm近红外光下实现了良好图像捕获功能。该工作将为下一代低成本、大面阵和高性能钙钛矿基探测器阵列的设计和加工提供创新性解决方案。

文章链接：

Direct laser-patterned MXene-perovskite image sensor arrays for visible-near infrared photodetection. Mater. Horiz., 2020, DOI: 10.1039/D0MH00537A.