光電探測(cè)器是將光攜帶的信息轉(zhuǎn)換為電子電路和計(jì)算機(jī)能夠處理的電信號(hào)的元器件。光電探測(cè)器是電視遙控器和光學(xué)運(yùn)動(dòng)感測(cè)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(guò)，數(shù)據(jù)中心和通信應(yīng)用是對(duì)光電探測(cè)器需求最大、增長(zhǎng)速度最快的市場(chǎng)。數(shù)據(jù)中心每年部署千萬(wàn)顆光電探測(cè)器，才能滿足計(jì)算技術(shù)對(duì)存儲(chǔ)空間不斷增長(zhǎng)的需求。
德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的旋涂法，用MXene材料制作光電探測(cè)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(duì)器件的生產(chǎn)需求。
上述行業(yè)的發(fā)展引發(fā)了對(duì)光電探測(cè)器需求量的激增。但光電探測(cè)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(guò)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(guò)渡族金屬，X代表碳和/或氨，Tx代表MXene在刻蝕過(guò)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(rùn)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(jià)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(shí)，性能水平有望超過(guò)當(dāng)前表現(xiàn)最佳的光電探測(cè)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(shuō)：“這是一項(xiàng)重要的進(jìn)展。因?yàn)榈?024年，預(yù)計(jì)全球光電探測(cè)器的市場(chǎng)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(cè)器的工藝流程選擇，并找到更多的可持續(xù)材料。”
簡(jiǎn)單的旋涂工藝沉積MXene薄層，用作光電探測(cè)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(cè)器電極的透明材料候選者。
“制造光電探測(cè)器的最大挑戰(zhàn)之一是金（Au）接觸點(diǎn)的沉積。金（Au）本身成本高，制造過(guò)程還必須在高溫和真空室中進(jìn)行，制造成本也非常高?！辈┦空撐难芯繂T、論文主要作者Kiana Montazeri博士說(shuō)道，“我們正在用成本低廉的MXene材料代替金（Au），并通過(guò)使用臺(tái)式旋轉(zhuǎn)器在大氣條件下進(jìn)行沉積，完成光電探測(cè)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(jiǎn)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(cè)器。
光電探測(cè)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(huì)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(gè)組件中使用，幾乎將器件的整個(gè)表面變成感應(yīng)區(qū)，且不會(huì)降低其能量效率或性能。
“之所以對(duì)MXenes材料有興趣的原因有很多，其中最主要的一點(diǎn)是它們可以與水混合制成噴劑和油墨，同時(shí)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(shuō)道，“使用透明MXene薄膜做光電探測(cè)器的觸點(diǎn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗軠p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(cè)器性能優(yōu)于用金（Au）實(shí)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。
