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-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，确定了合适的墨水溶剂。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%）。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，制备了高密度（约47000个/cm2）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NbSe2、Bi2Se3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.MoS2纳米片的特征。a）剥离的MoS2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MoS2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MoS2薄膜的示意图。图4.印刷薄膜晶体管的电气特性。a-c）SiO2/Si衬底上的双层MoS2膜的横截面TEM图像；d）MoS2薄膜的AFM图像。e）印刷图案厚度比较。f-h）在90nm
SiO2/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MoS2的侧视图，电子能带结构和相应的局部放大图；b）两个双层MoS2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。化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn
欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。