近日，永利集团先进能源材料与器件实验室许俊教授团队张彦课题组在光电子器件领域取得重要进展，首次利用简单的全液相加工路线和二维MXene载流子收集策略，成功构建出一种CdS/PbS/MXene异质结型紫外-短波红外宽光谱响应增强型光电探测器。相关研究成果以题为“Boosted UV-SWIR Photoresponse of Full Solution-Processed CdS/PbS Heterojunction via MXene Carrier Collector Strategy”发表在半导体器件领域著名期刊IEEE Electron Device Letters（DOI 10.1109/LED.2024.3390800）上。

高性能宽光谱光电探测器被广泛应用于遥感、成像、光学远程通信、环境监测、生物医学等领域。然而，目前基于单一传统材料的商业光电探测器受本征能隙的影响，往往仅在有限的光谱区间内工作良好（例如Si基光电探测器的探测范围约200−1100 nm），越来越不能满足未来的技术需求。通过恰当的材料选择、合理的器件架构以及简单可靠的工艺路线，进一步开发性能优异且可在宽光谱范围内工作的单片光电探测器，仍是目前光电器件领域的重要研究方向。

硫化铅（PbS）作为一种直接窄带隙半导体，在可见光到红外光范围内具有较高的光吸收系数，非常适合作为可见-红外光的探测材料。同时与HgCdTe等同类半导体材料相比，PbS还具有制备工艺简单，可在室温下工作等优点。然而PbS中通常存在大量的缺陷，导致其光电性能较差，目前往往需通过高温热处理或激光、化学等敏化工艺来提高光敏性，这无疑增加了成本和工艺复杂性，同时化学试剂的大量使用也增加了安全隐患。新型二维（2D）材料种类丰富，凭借其独特的结构、灵活的加工方法以及多样可调的电学特性，在各种光电应用中显示出良好的前景，有望成为下一代光电子器件的有效助力。

根据以上分析，研究团队基于2D/3D材料的新型异质集成策略，利用高导电性、高透明的Ti₃C₂T_x作为载流子集流体，采用全溶液加工路线成功构建了一种新型CdS/PbS/Ti₃C₂T_x异质结构（CPTH），有效实现了器件在紫外-可见-短波红外（UV-Vis-SWIR）宽光谱范围内光探测能力的增强。得益于光敏薄膜中产生的充足光生载流子、异质结界面处载流子的有效分离，以及Ti₃C₂T_x薄膜对载流子的有效收集和输运能力，该器件在349~2000 nm宽光谱范围内表现出优异的光响应，在无需任何额外后处理的情况下，405和1650 nm波长处的最大响应度分别为1.7和1.8 A·W^-1；零偏压下，在1650 nm波长处的光暗电流比为10²，且具有良好的稳定性。器件性能远远超过了大多数同类PbS基光电探测器。这项工作为制造高性能宽带光电探测器提供了切实可行的思路，使其在宽光谱光电探测器件方面以及下一代光电子与智能传感器件方面具有极大的应用潜力。

图1（a）CdS/PbS/Ti₃C₂T_x异质结光电探测器结构示意及SEM截面图。（b）器件在紫外到短波红外范围内同功率不同波长条件下的I-T曲线。（c）有Ti₃C₂T_x载流子集流体及CdS/PbS对比器件的R和D*随波长变化曲线。（d）器件的光响应增强原理示意及光照下PbS/Ti₃C₂T_x界面附近的电场强度分布仿真结果。

永利集团2021级硕士研究生周鑫阳为论文工作主要完成者，张彦副教授、陈俊伟副教授和许俊教授为共同通讯作者。该研究工作得到了安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项等项目的资助。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10504778

张彦 文/图  刘梅 审核