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[材料资讯] 孙东明-成会明课题组等:MXene晶圆级光电探测器取得新进展

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发表于 2022-3-11 09:35:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
二维过渡金属碳化物和氮化物MXene被公认为在电子和光电器件中具有重要应用潜力。然而,已报道的MXene薄膜的图案化方法难以兼顾效率、分辨率和与主流硅工艺的兼容性。例如,电子束光刻法可以实现较高的图案分辨率,但效率较低,不适用于大面积图案化;直接写入、激光蚀刻和喷墨印刷等其他图案化方法速度较快,但通常缺乏足够的分辨率。
  中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的科研人员与国内多家单位科研团队合作,通过设计MXene材料的离心、旋涂、光刻和蚀刻工艺,提出了一种具有微米级分辨率的晶圆级MXene薄膜图案化方法,并构筑了1024高像素密度光电探测器阵列。该阵列具有优异的均匀性、高分辨率成像能力、迄今为止最高的MXene光电探测器的探测度。研究成果于2022年2月28日在《先进材料》(Advanced Materials)在线发表,题为“Patterning of wafer-scale MXene films for high-performance image sensor arrays”。

MXene晶圆级光电

MXene晶圆级光电
  图1. Ti3C2Tx/Si 光电探测器。a. 4英寸晶圆的图案化Ti3C2Tx薄膜。 b. Ti3C2Tx薄膜的光镜图像(比例尺:2.5 mm)。 插图:薄膜的SEM图像(比例尺:10 μm)。c. 光电探测器结构示意图。 d. 光电探测器横截面TEM图像(比例尺:10 nm)。 e. 放大的界面TEM图像(比例尺:4 nm)。 f. 光电探测器的光响应特性。
  科研人员在对Ti3C2Tx溶液离心工艺和衬底亲水性进行优化后,采用旋涂法制备了4英寸MXene薄膜,并通过优化半导体光刻和干法刻蚀工艺实现了晶圆级MXene薄膜的图案化,精度达到2μm(图1)。基于此,结合硅(Si)的光电性能,科研人员制备了MXene/Si肖特基结光电探测器,实现了高达7.73×1014Jones的探测度以及6.22×106的明暗电流比,为目前所报道的MXene光电探测器的最高性能(图2)。使用碳纳米管晶体管作为选通开关,科研人员制备了1晶体管-1探测器(1T1P)的像素单元(图3),并成功构筑了具有1024像素的高分辨率光电探测器阵列,为目前最大的MXene功能阵列(图4)。该工作将促进兼容主流半导体工艺的大规模高性能MXene电子学的发展。
  该工作由中科院金属所孙东明成会明课题组、王晓辉课题组、南京大学王肖沐课题组、燕山大学张洪旺课题组、中科院苏州纳米所邱松-李清文课题组等单位合作完成。中科院金属所博士生李波、朱钱兵和崔聪为文章的共同第一作者。该研究计划得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院先导项目和沈阳材料科学国家研究中心等项目支持。


  全文链接 :https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202201298


         文章来源:金属所
       成会明:国际知名碳材料科学家、中科院院士、发展中国家科学院院士,清华-伯克利深圳学院教授、低维材料与器件实验室主任,中科院金属所研究员。成会明院士是国家自然科学基金委工程与材料学部咨询委员会成员、无机非金属材料学科评审专家,曾任“863”计划功能材料专家组专家,被澳大利亚研究理事会、新加坡教育部、香港地区研究资助局等国家和地区聘为外部评审专家。曾任国际刊物Carbon副主编、《新型炭材料》主编,现任国际刊物Energy Storage Materials(储能材料)主编 (影响因子>15)、Science China Materials(中国科学-材料)副主编。曾任亚洲碳协会主席、两届碳国际会议共同主席,是纳米管、石墨烯和碳科学等系列国际会议学术顾问委员,在国际会议上做特邀报告130余次,在国内外碳材料领域具有重要影响。成会明院士曾获得国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科技进步奖、美国碳学会Pettinos 奖、德国Felcht奖、桥口隆吉基金奖、辽宁省自然科学奖一等奖(2项)、美国化学会ACS Nano Lectureship奖等。他已发表学术论文550余篇,其中2007~2016年发表的论文中有ESI高被引论文72篇,论文被引用53000多次(h因子达106),获授权中国及PCT专利100余项,成立了5家高新技术材料企业。
        孙东明,男,1978年12月生,中国科学院金属研究所研究员、纳米碳基电子器件创新课题组组长,国家优秀青年科学基金获得者。2001年毕业于吉林大学电子材料与元器件专业,2006年获得吉林大学微电子学与固体电子学博士学位,2006-2012年在日本东京工业大学和名古屋大学工作。2012年,在中科院金属所先进炭材料研究工作。主要从事碳纳米管/石墨烯基柔性薄膜晶体管器件、微机电系统/压电超声波马达、印刷电子器件领域的研究。提出了气相过滤转移技术制备柔性碳纳米管薄膜晶体管电路的方法,大幅度提高了碳纳米管晶体管器件的性能,并率先实现了碳纳米管时序逻辑集成电路;提出了全碳薄膜晶体管器件的设计思路,首次制备出可塑全碳晶体管电路。        尹利长,中国科学院金属研究员,博士生导师,淮北师范大学讲席教授,吉林大学本硕博、日本访问学者,迄今共发表SCI论文80余篇,其中ESI高被引论文15篇,论文他引8000余次,H因子35。主持国家自然科学面上项目2项,青年基金项目1项。


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