二維過渡金屬碳化物和氮化物MXene被公認為在電子和光電器件中具有重要應用潛力。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。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心與國內多家單位科研團隊合作，通過設計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，精度達到2 μm（圖1）?；诖?，結合硅（Si）的光電性能，研究制備了MXene/Si肖特基結光電探測器，實現(xiàn)了高達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，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）。該研究將促進兼容主流半導體工藝的大規(guī)模高性能MXene電子學的發(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、光電探測器結構示意圖，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、響應度、探測度隨激光功率密度的變化，c、光開關響應，d、光電探測器響應時間，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

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，e、像素單元的光響應，f、探測器陣列的成像

該工作由金屬所、南京大學、燕山大學、中科院蘇州納米技術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基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和沈陽材料科學國家研究中心等的支持。

審核編輯 ：李倩