光電探測器是將光攜帶的信息轉(zhuǎn)換為電子電路和計算機(jī)能夠處理的電信號的元器件。光電探測器是電視遙控器和光學(xué)運(yùn)動感測設(shè)備等日常設(shè)備的常用元件，也是許多人工智能（AI）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的關(guān)鍵元器件。不過，數(shù)據(jù)中心和通信應(yīng)用是對光電探測器需求最大、增長速度最快的市場。數(shù)據(jù)中心每年部署千萬顆光電探測器，才能滿足計算技術(shù)對存儲空間不斷增長的需求。
德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）的研究人員開發(fā)了一種簡單的旋涂法，用MXene材料制作光電探測器，MXene材料可以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對器件的生產(chǎn)需求。
上述行業(yè)的發(fā)展引發(fā)了對光電探測器需求量的激增。但光電探測器的制造，需要昂貴的材料（例如金和鈦）和資本密集型設(shè)備，后者才能提供高度受控的工藝條件，但維護(hù)成本昂貴。
MXene材料示意圖
注：MXene是一類新型碳/氨化物二維納米層狀材料，一般是利用化學(xué)刻蝕的手段通過選擇性刻蝕掉前驅(qū)體MAX相中的A原子層而得到。其通式可表示為Mn+1XnTx，其中M代表早期過渡族金屬，X代表碳和/或氨，Tx代表MXene在刻蝕過程中產(chǎn)生的附著在其表面的官能團(tuán)（-OH、-F等）。在復(fù)合材料、潤滑劑、環(huán)境污染治理、電池、電容器、催化、傳感器、抗菌等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
最近發(fā)表在期刊Advanced Materials上的研究表明，該小組展示了如何用半透明薄層MXene材料代替金（Au），在提高生產(chǎn)工藝能力的同時，性能水平有望超過當(dāng)前表現(xiàn)最佳的光電探測器。
德雷塞爾大學(xué)工程學(xué)院的助理研究員，該論文的合著者Pouya Dianat博士說：“這是一項重要的進(jìn)展。因為到2024年，預(yù)計全球光電探測器的市場規(guī)模將達(dá)到20億美元，因此迫切需要增加制備光電探測器的工藝流程選擇，并找到更多的可持續(xù)材料。”
簡單的旋涂工藝沉積MXene薄層，用作光電探測器中的關(guān)鍵組件，從而賦能光纖數(shù)據(jù)傳輸、激光雷達(dá)和許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
由于MXene是二維薄層材料，應(yīng)用形態(tài)多樣（從“噴漆、粘土”到“油墨”），并保持高導(dǎo)電性，因此其薄膜形式已成為一種非常具有吸引力的光電探測器電極的透明材料候選者。
“制造光電探測器的最大挑戰(zhàn)之一是金（Au）接觸點的沉積。金（Au）本身成本高，制造過程還必須在高溫和真空室中進(jìn)行，制造成本也非常高。”博士論文研究員、論文主要作者Kiana Montazeri博士說道，“我們正在用成本低廉的MXene材料代替金（Au），并通過使用臺式旋轉(zhuǎn)器在大氣條件下進(jìn)行沉積，完成光電探測器的制造。”
這種薄膜沉積工藝的工作原理類似于將一滴墨水放入離心機(jī)中，然后將所產(chǎn)生的飛濺物從腔壁剝離。作為一種可以在普通大氣條件下完成的簡單工藝，利用圖案化基板完成，并輕松地用MXene材料批量生產(chǎn)光電探測器。
光電探測器的靈敏度與光敏材料的表面積有關(guān)。盡管大家更希望得到表面積更大的傳感器，但尺寸越大，需要的光功率也越高，會導(dǎo)致響應(yīng)變慢。由于MXene薄膜具有導(dǎo)電性，因此可以在傳感器的多個組件中使用，幾乎將器件的整個表面變成感應(yīng)區(qū)，且不會降低其能量效率或性能。
“之所以對MXenes材料有興趣的原因有很多，其中最主要的一點是它們可以與水混合制成噴劑和油墨，同時保持適合的導(dǎo)電性，”德雷塞爾大學(xué)工程學(xué)員教授、論文合著者Bahram Nabet博士說道，“使用透明MXene薄膜做光電探測器的觸點具有明顯的優(yōu)勢，因為它能減少載流子傳輸距離和響應(yīng)度之間的折衷。”
研究人員在論文中表明，就靈敏度而言，用MXene薄膜制造的光電探測器性能優(yōu)于用金（Au）實現(xiàn)的同類器件的四倍。這意味著它們可使數(shù)據(jù)中心更加節(jié)能。
