化学所宋延林课题组发展直写高性能原子级厚二维半导体薄膜新策略

　　二维（2D）半导体材料为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技术的加工技术相比，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具有重要意义。 

　　在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、北京市科协以及北京市自然基金的大力支持下，近期化学研究所绿色印刷院重点实验室宋延林课题组在二维原子级厚材料合成和图案化器件方面取得了系列进展，如二维MXene与纳米晶复合材料研究（J. Mater. Chem. 2022, 10, 14674-14691; Nano Res. 2022, DOI:10 .1007/s12274-022-4667-x）、基于交替堆叠微电极的湿度传感微型超级电容器（Energy Environ. Mater. 2022, DOI:10.1002/eem2.12546）。 

　　最近，他们与合作者提出了一种界面捕获效应打印策略，该策略使用低沸点水性超分散二维材料油墨，直写打印二维半导体薄膜阵列，无需添加额外表面活性剂。具体而言，通过对剥离的半导体2H-MoS2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，确定了合适的油墨溶剂。印刷超薄图案（约3nm厚度）主要以单层或两层的MoS2纳米片连续均匀排列，并抑制了咖啡环，空隙率较低（约4.9%）。通过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 cm2·V-1·s-1的迁移率和2×106的开关比，大大超过了此前印刷MoS2薄膜晶体管的性能。基于此，他们制备了高密度（约47000个/cm2）印刷晶体管阵列。该界面捕获效应打印策略可以应用于其它2D材料，包括NbSe2、Bi2Se3和黑磷，为印刷二维材料电子器件提供了新方法和新思路。该研究成果近日发表在Advanced Materials（Adv. Mater. 2022, DOI:10.1002/adma.202207392）上，通讯作者是化学所李立宏副研究员、宋延林研究员、清华大学林朝阳助理教授和加州大学段镶锋教授，第一作者为李立宏、俞晓夏、林朝阳。  


图1  界面捕获效应和超分散2D纳米片墨水打印原子级厚半导体薄膜器件