图1 肖特基波导探测器的结构示意图及实物图
1. 导读
MXene是一种新型的二维材料，由于其高导电性和亲水性表面的特性，在能量存储、透明电极和电磁屏蔽等方面引起了极大的关注。同时，鉴于其溶液可加工性和功函数可调的特点，MXene在宽波长范围内的光探测方面也具有巨大潜力。
近日，华中科技大学邵明教授和余宇教授团队提出了一种基于 Ti3C2Tx/Si范德华异质结的肖特基波导光电探测器。该工作首次将Ti3C2Tx引入集成波导器件的设计与制作中。同时，利用Ti3C2Tx功函数可调的特点，实现了对所设计探测器工作波长的调节。
该工作不仅成功将Ti3C2Tx引入到片上光探测器的设计制作中，同时展示了一种工作波长可调的波导探测器，为二维材料在波导器件设计领域的研究与应用提供了新思路。
2. 研究背景
近年来，由于具有高电导率、高光热转换效率、良好的化学稳定性和环境友好性等诸多优点，Ti3C2Tx已在许多场景中得到应用，例如透明电极、电磁干扰屏蔽、光催化剂、锁模激光器和表面增强拉曼散射。
除此之外，Ti3C2Tx还具有许多其他优点，例如其在短波红外 (SWIR) 波段的强烈表面等离子体激发和功函数可调，这使得Ti3C2Tx在片上器件尤其是波导探测器的设计方面具有巨大潜力。但是，目前尚无报道将Ti3C2Tx引入到片上集成光电探测器的设计工作中来。
3. 创新研究
基于以上分析，研究团队首先设计制作了p掺杂的Si波导及光栅结构，并在其结构基础上通过紫外光刻和喷涂的方式将Ti3C2Tx转移到波导上表面形成薄膜，这样Ti3C2Tx和p-Si就形成了典型的肖特基接触，最后研究人员在波导两侧生长电极构成了完整的波导探测器结构（图1）。
图2 Ti3C2Tx/Si肖特基结的能带结构图及探测器响应度与势垒高度的关系
研究人员通过仿真分析了在短波红外波段此Ti3C2Tx/Si肖特基结的势垒高度与其响应度之间的关系。仿真结果表明，随着肖特基势垒高度的提高，探测器的响应度也会降低，进而导致探测器的工作波长蓝移。
图3 探测器的伏安特性曲线及光电流与光功率的对应关系
图3a和图3b测试结果显示，在1550nm波长入射光条件下，光电流会随着输入光功率的增加而增加，但退火后光电流的增量明显变小。换言之，退火后的肖特基势垒高度增加，导致光电探测器的响应度降低。同时，研究人员测试了在不同偏置电压条件下的光电流与光功率的对应关系。测试结果表明：在退火处理后，探测器的响应度发生了一个数量级的变化。这与上图2b的仿真结果是对应的，说明通过退火处理实现了对探测器工作波长的调节。
该工作通过设计MXene-Si 范德华异质结来构建片上肖特基光电探测器。并利用热退火的方式实现了0.23 eV的Ti3C2Tx功函数调节，进而实现了探测器的工作波长215 nm蓝移。因此，此光电探测器在SWIR波段表现出广泛的工作波长可调性。我们的工作突出了MXenes在片上光通信、广谱光电检测和片上光学传感应用方面的前景。
4. 应用与展望
研究团队提出的基于范德瓦尔斯异质结的势垒可调肖特基波导探测器。通过精心设计工艺流程和器件结构，首次将Ti3C2Tx应用到波导集成光电探测器的设计制作中。并且通过退火处理实现了对Ti3C2Tx功函数的调节，进而实现了对光电探测器工作波长的调节。本工作在片上光通信、宽带光电探测和片上光学传感应用等领域有着广阔的应用前景。
该研究成果以“Waveguide Schottky Photodetector with tunable Barrier Based on Van Der Waals Heterojunction”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Changming Yang, Shiyu Qin, Yan Zuo, Yang Shi, Tong Bie, Ming Shao和Yu Yu，其中前两位作者为共同第一作者，Ming Shao和Yu Yu教授为共同通讯作者。邵明教授和余宇教授团队隶属于华中科技大学武汉光电国家研究中心。
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