综述：MXene与III族氮化物半导体的集成：近期进展与展望

本综述系统探讨了二维MXene材料与宽禁带III族氮化物（GaN、AlN、InN）的前沿交叉研究，重点阐述了MXene作为透明电极、外延生长模板和界面修饰层在提升光电器件（光电探测器、LED）、功率电子、气体传感器和光电解水等领域的创新应用，为新一代半导体器件设计提供了重要理论依据和技术路径。

　　

MXene与III族氮化物半导体的协同创新

引言

III族氮化物半导体（GaN、InN、AlN）因其可调的直接带隙、高电子迁移率、优异的热稳定性和化学稳定性以及高击穿电压等特性，在光电子和功率电子领域展现出巨大潜力。然而，晶格失配、缺陷形成以及接触界面问题限制了其器件性能的进一步提升。近年来，二维MXene材料因其独特的金属导电性、可调的功函数、溶液可加工性以及形成清洁范德瓦尔斯界面的能力，为克服这些挑战提供了新的解决方案。

MXene的合成与特性

MXene通常通过选择性蚀刻MAX相前驱体（如Ti₃AlC₂）中的Al原子层制备，化学通式为M_n+1X_nT_x（n=1-4），其中M代表过渡金属（Ti、Nb、Mo等），X为碳或氮，T_x表示表面官能团（-O、-OH、-F等）。相较于石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs）等二维材料，MXene具有以下突出优势：更高的电导率（Ti₃C₂T_x可达9880 S/cm）、优异的机械柔韧性、可调的功函数（4.2-5.6 eV）以及良好的溶液分散性，可通过旋涂、喷涂、滴涂等低温工艺实现大面积集成。

功能化应用机制

4.1 作为III族氮化物纳米结构的成核层

MXene与III族氮化物（如GaN）的晶格失配度仅为3.7%，其表面官能团（如-F、-OH）可提供外延生长位点。研究证实，在蓝宝石、硅等异质衬底上引入MXene中间层，可通过范德瓦尔斯外延机制有效抑制线程位错密度，实现高质量GaN纳米线/纳米棒的垂直生长。特别值得注意的是，MXene涂层还能阻止Si衬底表面绝缘SiN_x层的形成，显著改善界面电荷传输效率。

4.2 MXene-III族氮化物结界面工程

理论计算表明：裸露的MXene（如Hf₃N₂）与GaN形成共价键结合导致费米能级钉扎，而官能化MXene（-O、-F、-OH修饰）则通过范德瓦尔斯作用形成弱钉扎效应。OH官能化MXene与GaN可形成n型欧姆接触（100%隧穿概率），F官能化体系则形成可调肖特基势垒。实验通过紫外光电子能谱（UPS）测得Ti₃C₂T_x/GaN界面势差达0.90 eV，形成强内置电场，为光生载流子分离提供核心驱动力。

4.3 栅电极在高电子迁移率晶体管（HEMT）中的应用

与传统Ni/Au栅极相比，MXene栅电极（特别是单层氧化MXene）与AlGaN界面避免了金属诱导间隙态（MIGS）和缺陷诱导间隙态（DIGS）的产生，使器件关态电流降低3个数量级，开关比提升至10¹³，亚阈值摆幅接近理想值。截面STEM和电子能量损失谱（EELS）证实MXene界面原子扩散可忽略，显著改善栅控能力。

创新应用场景

5.1 气体传感应用

GaN纳米棒/Ti₃C₂T_x复合传感器对NH₃的检测限低至0.5 ppm（比单一材料提升20倍），在90天内保持稳定响应。其机制源于MXene与n型GaN形成的p-n结：电子从GaN向MXene自发转移形成耗尽层，气体吸附调制耗尽层宽度从而显著改变电导率。该传感器在10-80%湿度范围内保持性能稳定，并能通过检测呼出气体中≥1 ppm的NH₃浓度实现尿毒症筛查。

5.2 光电探测器性能突破

MXene/III族氮化物肖特基结光电探测器展现卓越性能：Ti₃C₂T_x/GaN器件在355 nm光照下实现284 mA/W的响应度、7.06×10¹³ Jones的比探测率和0.43 ms的上升时间；Nb₂CT_x/AlGaN异质结则针对深紫外探测（254 nm）优化，势垒高度达1.67 eV。通过抗坏血酸处理调控MXene功函数（从4.20 eV升至4.34 eV），可使InGaN基可见光探测器响应度提升3倍。独特的MXene-InGaN/GaN-MXene多量子阱结构更实现了64,620 mA/W的超高响应度，成功应用于水下无线光通信系统（UWOCS）和浊度传感（0-4000 NTU）。

5.3 发光二极管（LED）创新

基于Ti₃C₂T_x/p-GaN结的LED器件在22 V偏压下发射主导波长593.5/625.4 nm的橙光，色坐标（0.4541, 0.4432）对应2953 K色温。电致发光谱显示375.7 nm近带边发射、455.7 nm镁受体相关发射以及602/706 nm深能级发射的多元复合发光机制，为低成本溶液加工型LED开辟新路径。

5.4 光电解水（PEC）性能提升

MXene在III族氮化物光阳极中发挥三重功能：Ti₃C₂T_x包覆GaN纳米线使电荷转移电阻显著降低，光电流密度提升8.5倍（达34.24 mA/cm²）；作为InGaN纳米棒与Si衬底的界面层，MXene抑制SiN_x绝缘层形成并建立欧姆接触，使起始电位降至75 mV（vs RHE），应用偏压光子-电流效率（ABPE）达2.36%。能带分析证实MXene/InGaN形成II型异质结，有效促进空穴向电解质界面迁移。

结论与展望

MXene与III族氮化物的集成融合了二维材料的界面优势与宽禁带半导体的体相特性，在光电转换、能量收集、传感检测等领域展现出革命性潜力。未来研究需聚焦于：原子级界面调控、MXene形态工程（量子点等）、稳定性封装策略、柔性器件集成以及多物理场耦合器件开发。通过跨学科合作和精准设计，MXene/III族氮化物异质结构有望重塑新一代高性能电子与光电子器件的技术范式。