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化學所等發展直寫高性能原子級厚二維半導體薄膜新策略
來源：化學研究所 瀏覽 1031 次 發布時間:2022-11-11
二維（2D）半導體材料為將摩爾定律擴展到原子尺度提供了機會。與傳統基于蒸鍍和光刻技術的加工技術相比，印刷電子因成本效益、靈活性以及與不同襯底的兼容性而受到關注。目前，印刷的二維晶體管受到性能不理想、半導體層較厚和器件密度低的制約。同時，多數二維材料油墨通常使用高沸點溶劑，隨之而來的問題包括器件性能退化、高材料成本和毒害性等，難以大規模應用。因此，發展簡單且環保的策略對于制造低成本、大規模的打印二維材料功能器件具有重要意義。
中國科學院化學研究所綠色印刷院重點實驗室宋延林課題組在二維原子級厚材料合成和圖案化器件方面取得了系列進展，例如，二維MXene與納米晶復合材料研究（J.Mater.Chem.2022,10,14674-14691；Nano Res.2022，DOI：10.1007/s12274-022-4667-x）、基于交替堆疊微電極的濕度傳感微型超級電容器（Energy Environ.Mater.2022，DOI：10.1002/eem2.12546）。
近日，化學所與清華大學、美國加州大學合作，提出了一種界面捕獲效應打印策略。該策略使用低沸點水性超分散二維材料油墨，直寫打印二維半導體薄膜陣列，無需添加額外表面活性劑。具體而言，這一策略通過對剝離的半導體2H-MoS2納米片進行分級離心，獲得了主要為雙層厚度的窄分布納米片；通過建立表面張力和組分比的三溶劑相圖，確定了合適的油墨溶劑。印刷超薄圖案（約3nm厚度）主要以單層或兩層的MoS2納米片連續均勻排列，并抑制了咖啡環，空隙率較低（約4.9%）。研究使用商用石墨烯作為電極，制備的晶體管在室溫下顯示出6.7 cm2·V-1·s-1的遷移率和2×106的開關比，超過了此前印刷MoS2薄膜晶體管的性能。基于此，科研人員制備了高密度（約47000個/cm2）印刷晶體管陣列。該界面捕獲效應打印策略可應用于其他2D材料，包括NbSe2、Bi2Se3和黑磷，為印刷二維材料電子器件提供了新方法和新思路。
相關研究成果發表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202207392）上。研究工作得到國家自然科學基金、科技部、中科院、北京市科學技術協會及北京市自然科學基金的支持。
界面捕獲效應和超分散2D納米片墨水打印原子級厚半導體薄膜器件