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中科院化学所宋延林研究员/李立宏副研究员课题组《Adv. Mater.》: 直写高晶体管性能原子级厚二维半导体薄膜

时间：2022-11-14 来源： 浏览：

中科院化学所宋延林研究员/李立宏副研究员课题组《Adv. Mater.》: 直写高晶体管性能原子级厚二维半导体薄膜

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#二维半导体打印 2 个
#2D纳米片墨水 2 个
#MoS2纳米片 2 个
#界面捕获效应 2 个

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二维（ 2D ）半导体材料为进一步将摩尔定律扩展到原子尺度提供了机会。 与传统基于蒸镀和光刻的加工技术相比，印刷电子因其成本效益、灵活性以及与不同衬底的兼容性而受到广泛关注。 然而，目前印刷的二维晶体管，受到性能不理想、半导体层较厚和器件密度低的制约。 同时，大多数二维材料油墨通常使用高沸点溶剂，随之而来的问题包括器件性能退化、高材料成本和毒害性等，难以大规模应用。 因此，发展高效、简单且环保的策略对于制造低成本、大规模的打印二维材料功能器件非常重要。

中科院化学所宋延林研究员、李立宏副研究员课题组与合作者清华大学林朝阳助理教授、加州大学段镶锋教授 提出了一种简便且可扩展的二维半导体打印策略，该策略利用界面捕获效应和超分散2D纳米片墨水，在不添加额外表面活性剂的情况下，打印出高质量原子层厚度的半导体薄膜阵列。 具体而言，通过对剥离的半导体2H-MoS 2 纳米片进行分级离心，获得了主要为双层厚度的窄分布纳米片。通过建立表面张力和组分比的三溶剂相图，确定了合适的墨水溶剂。印刷超薄图案（约3nm厚度）主要以单层或两层的MoS 2 纳米片连续均匀排列，并抑制了咖啡环，空隙率较低（约4.9%）。使用商用石墨烯作为电极，制备的晶体管在室温下显示出6.7 cm 2 ·V -1 ·s -1 的迁移率和2×10 6 的开关比，大大超过了此前印刷MoS 2 薄膜晶体管的性能。基于此，制备了高密度（约47000个/cm 2 ）印刷晶体管阵列。这种界面捕获效应打印策略可以应用于其它2D材料，包括NbSe 2 、Bi 2 Se 3 和黑磷，为印刷二维材料电子器件提供了新方法和思路。相关工作以 “ Interface capture effect printing atomic-thick two-dimensional semiconductor thin film ” 为题，发表于《 Advanced Materials 》。
图 1.MoS 2 纳米片的特征。 a ）剥离的 MoS 2 材料的纳米片大小、厚度与离心转速的关系图； b ）显示厚度为 1.4nm 的单个 MoS 2 纳米片的 AFM 图像； c ）激光拉曼光谱； d ）紫外 - 可见吸收光谱； e ） XPS 光谱； f ）高分辨率 TEM 图像。
图 2. 打印 2D 材料图案。 a ） 2D 材料直接写入过程的光学显微镜照片； b ）三溶剂相图。相图分为三个区域，分别对应于打印图案质量的满意、普通和不满意； c ）界面捕获效应。 d ）印刷基材的润湿性对印刷线质量的影响； e ）油墨流动速率模拟，说明印刷过程中油墨横向剪切力的形成。
图 3. 直写打印薄膜晶体管。 a ） 2D 晶体管阵列的印刷工艺示意图； b-f ） SiO2/Si 衬底上制造的 MoS2 晶体管印刷阵列照片、光学显微镜图像和 SEM 图像； g ）具有石墨烯电极的双层 MoS 2 薄膜的示意图。
图 4. 印刷薄膜晶体管的电气特性。 a-c ） SiO 2 /Si 衬底上的双层 MoS 2 膜的横截面 TEM 图像； d ） MoS 2 薄膜的 AFM 图像。 e ）印刷图案厚度比较。 f-h ）在 90nm SiO 2 /Si 衬底上的印刷的晶体管性能。 i ）晶体管的开关比和迁移率的比较。红星，本工作；蓝点，已报道 2D 材料。
图 5. 密度泛函理论计算和高密度 2D 晶体管阵列。 a ）双层 MoS 2 的侧视图，电子能带结构和相应的局部放大图； b ）两个双层 MoS 2 的侧视图，电子能带结构和相应的局部放大图； c-e ）在 SiO2/Si 衬底上包含 900 个晶体管的晶体管阵列， 13×22 个晶体管的显微镜图像和 3×5 个晶体管的显微图像； f ）阵列晶体管的晶体管密度，红星：本工作；绿点：已报道 2D 材料；黑点：已报道碳纳米管； g ） 6×6 个晶体管的迁移率分布； h ） 6×6 个晶体管的开 / 关比分布。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202207392

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