【儀表網 行業應用】光電探測器是將光攜帶的信息轉換為電子電路和計算機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運動感測設備等日常設備的常用元件，也是許多人工智能(AI)和物聯網(IoT)技術的關鍵元器件。不過，數據中心和通信應用是對光電探測器需求大、增長速度快的市場。數據中心每年部署千萬顆光電探測器，才能滿足計算技術對存儲空間不斷增長的需求。
德雷塞爾大學(Drexel University)的研究人員開發了一種簡單的旋涂法，用MXene材料制作光電探測器，MXene材料可以滿足大規模數據中心和物聯網技術對器件的生產需求。
上述行業的發展引發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)和資本密集型設備，后者才能提供高度受控的工藝條件，但維護成本昂貴。
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，一般是利用化學刻蝕的手段通過選擇性刻蝕掉前驅體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在刻蝕過程中產生的附著在其表面的官能團(-OH、-F等)。在復合材料、潤滑劑、環境污染治理、電池、電容器、催化、傳感器、抗菌等領域具有潛在的應用價值。
近發表在期刊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)，在提高生產工藝能力的同時，性能水平有望超過當前表現佳的光電探測器。
德雷塞爾大學工程學院的助理研究員，該論文的合著者Pouya Dianat博士說：“這是一項重要的進展。因為到2024年，預計光電探測器的市場規模將達到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材料。”
光電探測器將光輻射轉換成電流。金(Au)具有高導電性，通常作為接觸材料，將探測器材料連接到電路的其余部分。光電探測器在一系列需要快速傳輸大量數據的應用中變得越來越普遍。例如在線購物逐漸成為大眾購物習慣后，對自動組裝、包裝和交付系統的需求就越來越高。高聳貨架上的商品信息利用數據中心可實現無障礙傳輸。
簡單的旋涂工藝沉積MXene薄層，用作光電探測器中的關鍵組件，從而賦能光纖數據傳輸、激光雷達和許多物聯網設備。
由于MXene是二維薄層材料，應用形態多樣(從“噴漆、粘土”到“油墨”)，并保持高導電性，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。
“制造光電探測器的大挑戰之一是金(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器在大氣條件下進行沉積，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中，然后將所產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。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，會導致響應變慢。由于MXene薄膜具有導電性，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區，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，同時保持適合的導電性，”德雷塞爾大學工程學員教授、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勢，因為它能減少載流子傳輸距離和響應度之間的折衷。”
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于用金(Au)實現的同類器件的四倍。這意味著它們可使數據中心更加節能。
“這項工作的下一步計劃是繼續標準化生產工藝，并開發出穩定MXene組件的方法，以實現在各種環境和條件下使用。”工程學院杰出教授Michel Barsoum博士說，“我們希望這一發現將為MXene在各種光電器件(例如光電二極管和光電晶體管)以及微電子技術、光子集成電路和硅光子技術等使能技術打開大門。”
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