研究速览

■ 近日，贵州民族大学罗光灿博士团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“High-performance ultraviolet photodetectors enabled by van der Waals Schottky junction based on TiO2 nanorod arrays/Au-modulated Ti3C2Tx MXene”的研究论文。该论文采用金属调控MXene功函数，再结合TiO2纳米棒阵列构建范德华肖特基结应用于紫外光的探测。其中，在Au电极的调控下，Ti3C2Tx的功函数从4.41 eV上升至5.14 eV，增强了肖特基结势垒，电荷的分离和提取都得到增强，同时深入研究了光伏效应、热电效应与空穴捕获机制（纳米棒表面氧气的吸附与脱离过程）的内在联系和协调三者的手段，最终获取了高响应率和探测率的紫外光电探测器。

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▉  研究摘要  ▉

■ 紫外探测技术在空间与天文研究、导弹制导与追踪、通信、环境监测、生物分析与火灾预警等国防和民生领域有着广泛的应用。二维过渡金属碳、氮或碳氮化合物（MXenes）由于其出色的电子特性，在光电转换器件上显示出巨大的潜力，越来越多的被用作紫外光电探测器的载流子传输层。然而，紫外光电探测器难以获取高响应率和探测率的原因主要是由于电荷严重的非辐射复合和低效的界面传输过程，以前的研究集中在通过调整MXenes的功函数来构建高质量的范德华（vdW）异质结，以提升电荷分离能力并减少异质结界面的非辐射复合，通过退火、气氛处理或浸泡于溶液中来获得不同MXenes功函数的方法常常需要一个额外的过程，这使得器件的制备变得复杂，同时金属电极作为光电转换器件中经常使用的材料，有着难以替代的地位，其对MXenes的影响也鲜有报道。因此深入了解金属电极对MXenes功函数的影响，不仅可以减少制备过程对器件性能的影响因素，同时也对调控MXenes功函数开辟了一个新的手段，可为制备合适的载流子传输层用于获取高性能光电转换器件提供理论支撑和技术指导。

■ 鉴于此，团队采用全溶液工艺技术制备基于TiO2纳米棒阵列/Ti3C2Tx MXene范德华肖特基结的高性能紫外光电探测器。首先，利用Au电极调控Ti3C2Tx MXene界面性质，使后者功函数从4.41 eV升高至5.14 eV，形成了空穴传输层，辅以Ti3C2Tx表面无悬挂键特点，抑制了表面态引起的费米能级钉扎效应，增强了肖特基结的电场强度，促进了电荷分离和传输。其次，深入研究了光伏-热电效应与空穴捕获机制的内在联系与调控手段，在施加偏压后，光伏效应得到了加强，而空穴捕获机制和反向热电效应基本被消除。最终，基于FTO/TiO2 NR arrays/Ti3C2Tx/Au结构的器件响应率和探测率在-1.5 V偏压下分别达到了1.95 × 105 mA W-1和4.3 × 1013 cm Hz1/2 W-1（370 nm，65 mW cm-2）。

Part2

■ 研究要点1：

利用Au电极调控Ti3C2Tx MXene界面性质，通过两者功函数和电负性差异，调控界面偶极子，使后者功函数从4.41 eV升高至5.14 eV。

图1. a) Ti3C2Tx纳米片的TEM和b) HRTEM图像（SAED图案在内）。c) Ti、d) C、e) O和f) F的元素图谱。通过KPFM测量Ti3C2Tx MXene在g)Si衬底和h)Au衬底上的接触电势差。

■ 研究要点2：

深入研究光伏-热电效应与空穴捕获机制之间的关系。三种机制的本质是对电荷行为的影响，光伏效应是检测紫外光的基础，热电效应在光源开关瞬间由半导体两端的温度差引起，而氧气在纳米棒表面的吸附和解离过程一直都发生，每种机制对载流子运动方向的作用不一致，因此为提高光输出电流，需要增强光伏效应、削弱反向热电效应带来的负电流与降低氧气的吸附与解离达到平衡的时间。研究发现，随着施加的外置偏压逐渐增强，光输出电流逐渐得到增强，反向电流基本被抵消，响应时间也随之缩短。

图2. a) FTA和FTTA器件在暗态下的ln J-V曲线。b）-1~1.5 V和c）-1~1 mV的J-V曲线，d）FTTA PDs在365 nm不同强度的照明下的Jsc和Voc。e)随时间变化的光响应，f)FTA PD在365 nm光照下的单一输出周期放大图。g)包括光伏-热电效应和空穴捕获机制的工作示意图（阶段1、阶段2、阶段3和阶段4）。

Part3

▉  研究总结  ▉

■ 团队采用全溶液技术制备基于TiO2纳米棒阵列/Ti3C2Tx MXene的范德华肖特基结紫外光电探测器。由于功函数的差异和电负性的强度，Ti3C2Tx MXene在Au作用下增加了功函数，形成了空穴传输层，并抑制了费米能级钉扎效应，增强了肖特基结的内置电场。辅以表面无悬挂键的特点，电荷在异质结界面的复合减少，暗饱和电流密度下降到4.06 × 10-3 mA cm-2，器件表现出明显的自供电行为。通过施加超过-10 mV的外置偏压后，反向热电效应和电子交换被显著抑制。最后在-1.5 V（370nm，65 mW cm-2）偏压下，我们获得了超高的响应率（1.95 × 105 mA W-1）和探测率（4.3×1013 Jones）。这项工作为提升光电探测器的性能提供了有效的参考途径，既选择金属电极来调控MXene功函数作为合适的电荷传输层以及如何协调光伏-热电效应和空穴捕获机制。