一种制备可溶液加工的二维半导体的新方法

加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)，德克萨斯大学奥斯汀分校和湖南大学(中国)的研究人员最近设计了一种制备高度均匀，可溶液加工，相纯半导体纳米片的新方法。他们的方法，在自然界发表的一篇论文中概述，涉及将季铵分子电化学插入二维晶体，然后进行温和的超声处理和去角质过程。

二维(2-D)材料由通过范德华力结合的原子级薄晶体层组成。最近，这些材料的普及程度一直在上升，主要是由于它们在电子，光电子和催化方面的许多潜在应用。

对于可溶液处理的2-D半导体纳米片，例如MoS 2，尤其如此，其显示出开发大面积薄膜电子器件的特别潜力。与传统的零维和一维纳米结构相比，传统的零维和一维纳米结构通常受到表面悬挂键和晶界处相关的俘获状态的限制，2-D纳米片具有悬空键合表面，从而在薄膜内形成清晰的界面，从而优良的电荷运输。

尽管具有潜在的优势，但制备高质量的可溶液处理的2-D半导体纳米片具有许多挑战。例如，MoS 2纳米片和使用锂嵌入和剥离产生的薄膜受到金属1T相的存在的负面影响，因此显示出差的电性能。

“在传统的锂(Li)插层过程中，每个Li +离子的插入需要将一个电子注入到宿主晶体中，”进行这项研究的研究人员之一的Xiangfeng Duan教授告诉TechXplore。“大量Li +的嵌入导致大量电子注入MoS 2晶体(LiMoS 2中每个配方单元1e )，这会引起不希望的半导体2H到金属1T相变。”

过去的研究表明，这种不利的相变仅发生在电子注入超过某一阈值时，即每MoS 2配方单元0.29 e 。基于这些发现，Duan及其同事设计了一种制备半导体2-D纳米片的新方法，其中电子注入被化学操作低于该观察到的阈值。

“我们提出了减少电子注入到主体二维晶体中的想法，并通过用较大的阳离子(例如季铵)取代小的Li +(d≈2Å)来防止不希望的相变(d≈20Å对于THAB)“段教授解释说。“季铵分子的庞大尺寸自然地限制了可以装入托管晶体的分子数量，从而限制了注入的电子数量，从而防止了不希望的相变到金属1T相。”

在他们的研究中，研究人员成功地制备了高度均匀，可溶液加工的相纯半导体纳米片，将季铵分子电化学嵌入二维晶体中，然后在溶剂中进行温和的超声处理和剥离过程。他们将一块薄的裂解的MoS 2晶体和一根石墨棒放在电化学电池中，分别作为阴极和阳极。使用在乙腈中的季铵溴化物(即THAB，TBAB等)溶液作为电解质。接下来，研究人员的浴液对PVP / DMF溶液中的插层材料进行超声处理，以获得半导体MoS 2纳米片的分散。

“该工艺的独特优势在于成功保存了受欢迎的MoS 2半导体2H相，以前发现使用传统的Li嵌入和剥离工艺具有挑战性，”段教授说。“与大的季烷基铵分子(即THAB)的嵌入提供了一种温和的方法，可以大大扩展MoS 2晶格，实现轻松剥离，而不会将过多的电子注入MoS 2层，从而防止不希望的相转变为1T-MoS 2(与Li插层和去角质相比)。“

Duan教授及其同事提出的这种新的液相剥离工艺一般适用于各种二维晶体(包括MoS 2，WSe 2，In 2 Se 3，黑磷等)保留的电子和光电特性。这有助于克服生产高质量，可溶液处理的2-D半导体纳米片的一些挑战。

“我们研究中最有趣的发现是开发了一种可扩展的低成本解决方案，用于制造基于二维半导体墨水的高性能，柔性薄膜晶体管(TFT)和电子电路，”Prof。段说。“原子级薄且本质上柔韧的2-D纳米片代表了用于柔性/可穿戴电子设备的有吸引力的构件，类似于易于弯曲，折叠和展平的纸片。”

研究人员使用MoS 2 2-D纳米片油墨生产的TFT与现有的溶液处理MoS 2 TFT 相比，显着提高了器件性能，载流子迁移率至少提高了一个数量级，切换时提高了三到四个数量级比。他们的新方法易于扩展，具有高产量，能够实现迄今为止无法使用其他2-D墨水实现的复杂逻辑门和计算电路。

“灵活的TFT和电路的溶液相制造工艺具有内在的可扩展性和成本效益，并且当与印刷方法和工业卷对卷生产相结合时，可以很容易地制成大规模(> m 2)，”Prof。段解释道。“TFT是许多大面积电子应用的基本构建模块，包括众所周知的TFT-LCD，一种使用TFT技术改善图像质量(如可寻址性和对比度)的液晶显示器。”

将来，Duan教授和他的同事设计的新方法可以帮助创建更高质量的2-D半导体纳米片，具有许多令人兴奋的应用。例如，使用MoS 2 2-D 纳米片油墨可以大大降低下一代电视，显示器，电话，电子阅读器和射频识别(RFID)或其他可穿戴电子设备上柔性显示器的制造成本。

“我们现在计划将我们的方法扩展到具有更好电子特性的其他类似层状晶体，并进一步改善器件集成过程，从而改善器件性能，”段教授说。“与此同时，我们正在探索采用这些新配方油墨的新印刷方法，以实现可扩展且更便宜的TFT生产。”