[发明专利]基于液相MXene材料的薄膜均匀沉积、高精度图案化的光电器件规模化制备方法

说明书

本发明涉及MXene基光电探测器的研发与应用领域，具体为一种基于液相MXene材料的薄膜均匀沉积、高精度图案化的光电器件规模化制备方法。本发明通过匀胶机旋涂MXene材料悬浮液，在硅片上制备均匀的MXene材料薄膜；采用光刻‑干法刻蚀工艺，实现MXene材料薄膜的高精度图案化。MXene基光电探测器由硅衬底及硅衬底上的电极、半导体层、透明导电薄膜层构成，半导体层采用掺杂形成的n型硅，透明导电薄膜层采用MXene材料，电极采用Ti层与Au层复合。利用光刻‑干法刻蚀工艺，实现了大面积MXene材料薄膜的图案化，进而构筑出高分辨率的MXene基光电探测器，具有良好的光电性能和循环寿命。

技术领域

本发明涉及MXene基光电探测器的研发与应用领域，具体为一种基于液相MXene材料的薄膜均匀沉积、光刻-干法刻蚀工艺的高精度图案化的光电器件规模化制备方法。

背景技术

二维材料迈科烯（MXene）是MAX相陶瓷的重要衍生物。MAX相陶瓷是一类三元层状碳氮化合物的统称，其化学通式可以表达为M_n+1AX_n（n=1、2、3），其中M指过渡族金属元素（主要集中在第三、四、五、六副族），A主要指第三、四主族元素，X指碳或者氮元素(例如，Nb₄AlC₃、Ti₃AlC₂、Ti₃SiC₂或Ti₂AlN等)^[1]。MXene主要通过使用含氟的酸性溶液选择性刻蚀MAX相陶瓷中结合力较弱的A原子层得到MX片层，除了保持MAX相陶瓷中MX导电片层的结构外，其表面会自发的同刻蚀液反应，形成亲水的官能团，赋予了MXene兼具优良导电性与亲水性的独特优势^[2]。以使用氢氟酸刻蚀Ti₃AlC₂为例，氢氟酸首先将Al原子从片层间抽出，得到Ti₃C₂片层，Ti₃C₂片层随后同刻蚀液反应在表面形成-O、-F、-OH等官能团并以 Tx表示，所以刻蚀产物为Ti₃C₂T_x。由于MAX相刻蚀后得到的MX薄片（包括其表面官能团）所构成的二维材料与石墨烯（Graphene）较为相似，所以将其命名为MXene^[3]。MXene的电学、光学以及力学等性能出众，目前已经在电化学储能、传感器、催化、复合材料等许多领域表现出优异的性能^[4-7]。MXene本身的功函数可调控性、高透光、高导电等诸多优良特异性使其在微电子领域具有广阔的应用前景^[8, 9]。但是目前薄膜制备，高分辨率的微、纳米级加工工艺具有均匀性差、加工精度低等缺点，从而限制了MXene在微电子领域的广泛应用。

光刻工艺是传统半导体工艺里面非常成熟的器件制备手段，通过利用光刻胶的光学敏感性结合相应的掩膜即可获取到较高分辨率的图形。通过其它的手段可以将光刻胶形成的图案转移到需要的硅衬底等物体上。干法刻蚀是一种常见的抽减式图形转移法，通过刻蚀未被光刻胶保护区域，将光刻胶上所形成的图案转移到硅衬底，从而最终完成图案化工艺。

参考文献：

[1] Barsoum M W. The MN+ 1AXN phases: A new class of solids[J]. Prog.Solid State Ch, 2000, 28: 201-281.

[2] Anasori B, Lukatskaya M R, Gogotsi Y. 2D metal carbides andnitrides (MXenes) for energy storage[J]. Nature Reviews Materials, 2017, 2(2): 16098.