基于2D-2D Ti3CN@BiOCl异质结的宽带快速光电探测研究

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：A 2D-2D Ti3CN@BiOCl heterojunction and its application in photodetection

本文报道了一种通过简单水热法构建的2D-2D Ti3CN@BiOCl异质结，用于解决BiOCl紫外光电探测器存在的载流子复合快、光利用率低等问题。研究表明，该异质结通过形成欧姆接触实现高效载流子注入，在0.01 M KOH电解液中获得47.17 μA·cm-2的光电流密度和12.50 mA/W的响应度，同时具备0.04秒的快速响应和优异稳定性，为高性能光电器件设计提供了新思路。

　　

在当今信息技术飞速发展的时代，光电传感技术作为信息接收与传输的关键环节，已广泛应用于生物工程、医疗健康和环境保护等领域。然而，高性能光电探测器（Photodetectors, PDs）的开发仍面临材料性能不足的挑战。其中，光化学（Photoelectrochemical, PEC）型光电探测器因其制备简单、灵活性高而备受关注，但其性能严重依赖于活性材料的光电转换效率。

氯氧化铋（BiOCl）作为一种具有独特层状结构的宽禁带半导体（3.2-3.4 eV），因其优异的光学性能和化学稳定性在紫外光电探测领域展现出潜力。但其宽禁带特性导致对可见光响应弱，且光生载流子复合速率快，严重制约了其在宽带光电探测中的应用。虽然通过构建异质结可改善性能，但现有BiOCl基探测器的光响应性能仍难以满足实际应用需求。

针对这一难题，杭州师范大学高明凤教授团队与瑞典乌普萨拉大学合作，在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上发表研究论文，提出了一种新型2D-2D Ti₃CN@BiOCl异质结结构。该研究通过简单的水热法成功合成了MXene（Ti₃CN）与BiOCl的复合结构，利用MXene优异的导电性和界面特性，显著提升了BiOCl的光电探测性能。

研究人员采用了几项关键技术方法：通过氢氟酸（HF）蚀刻法从Ti₃AlCN MAX相制备多层Ti₃CN MXene；利用水热法在160°C下反应12小时构建异质结；采用三电极系统评估光电性能，并通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算揭示电子转移机制。

材料表征确认异质结成功构建

扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）结果显示，BiOCl纳米片均匀分布在Ti₃CN表面，形成明显的2D-2D界面结构。高分辨TEM显示BiOCl的（101）晶面间距为0.34 nm，Ti₃CN的（101）晶面间距为0.25 nm。X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析进一步证实了异质结的成功形成，其中Ti 2p、Bi 4f等特征峰位的变化表明界面存在电子相互作用。

DFT计算揭示欧姆接触机制

理论计算表明，Ti_{3CN与BiOCl之间形成的是欧姆接触（Ohmic contact），而非传统的肖特基结。这种接触模式使得电子能够从F终止的Ti3CN自发转移到BiOCl的Cl原子上，界面偶极矩达到0.33 e?，产生的0.39 eV电势差有效促进了载流子分离。电子局域函数（ELF）分析证实界面为范德华相互作用，减少了费米能级钉扎效应，有利于保持材料本征特性。}

光电性能显著提升

在0.01 M KOH电解液中，加入6.25 mM Na₂SO₃作为空穴清除剂后，Ti₃CN@BiOCl基光电探测器在0.6 V偏压和42.77 mW/cm²光照下，光电流密度达到47.17 μA·cm^-2，比纯Ti₃CN提高约44倍。响应度（R_ph）最高为12.50 mA/W（380 nm，56 μW/cm²），比现有大多数PEC型探测器性能更优。

宽带响应与快速稳定性

该器件在380-765 nm波长范围内均表现出光响应，特别是在380-578 nm区域响应显著。响应时间（t_res/t_rec）小于0.08秒，展现出快速响应特性。经过2000次循环测试后，光电流密度仅衰减约0.005%/循环，表明具有优异的长期稳定性。SEM和XRD表征证实循环后材料结构和形貌保持完整。

该研究通过构建2D-2D Ti₃CN@BiOCl异质结，成功解决了BiOCl基光电探测器载流子复合快、光利用率低的关键问题。DFT计算阐明了欧姆接触促进电子转移的机制，实验验证了该异质结在光电流密度、响应度、响应速度和稳定性方面的显著优势。这项工作不仅为高性能光电探测器提供了新材料设计思路，也为其他光电器件的开发提供了重要参考，有望推动宽带光电探测技术的进一步发展。