En ny tilgang til fremstilling af løsningsbearbejdelige 2D-halvledere

Forskere ved University of California, Los Angeles (UCLA), University of Texas i Austin, og Hunan University (Kina) har for nylig udtænkt en ny metode til at forberede meget ensartet, løsningsbearbejdelig, fase-rene halvledende nanoplader. Deres tilgang, beskrevet i et papir udgivet i Natur , involverer elektrokemisk interkalation af kvaternære ammoniummolekyler til 2-D krystaller, efterfulgt af en mild sonikering og eksfoliering.

Todimensionelle (2-D) materialer består af atomisk tynde krystallag bundet af van der Waals-kraften. For nylig, populariteten af ​​disse materialer har været stigende, primært på grund af deres mange potentielle anvendelsesmuligheder inden for elektronik, optoelektronik og katalyse.

Dette gælder især for opløsningsbearbejdelige 2-D halvleder nanoark, såsom MoS ₂ , som viser særligt potentiale for udvikling af tyndfilmselektronik med stort område. Sammenlignet med konventionelle nul- og endimensionelle nanostrukturer, som typisk er begrænset af hængende overfladebindinger og tilhørende fangsttilstande ved korngrænser, 2-D nanoark har dinglende bindingsfrie overflader, resulterer i en ren grænseflade i en tynd film og dermed fremragende ladningstransport.

På trods af deres potentielle fordele, udarbejdelse af højkvalitets løsnings-bearbejdelige 2-D halvleder nanoark kommer med en række udfordringer. For eksempel, MoS ₂ nanoplader og tynde film skabt ved hjælp af lithium interkalation og eksfoliering påvirkes negativt af tilstedeværelsen af ​​den metalliske 1T fase, og viser dermed dårlig elektrisk ydeevne.

"I den konventionelle lithium (Li) interkalationsproces, indsættelsen af ​​hver Li ⁺ ion medfører injektion af en elektron i værtskrystallerne, " Prof. Xiangfeng Duan, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Indlæg af et stort antal Li ⁺ fører til massiv elektroninjektion i MoS ₂ krystal (1 e pr. formelenhed i LiMoS ₂ ), der inducerer den uønskede halvledende 2H til metallisk 1T faseovergang."

Tidligere undersøgelser tyder på, at denne ugunstige faseovergang kun sker, når elektroninjektionen overstiger en vis tærskel, det på 0,29 e pr. MoS ₂ formelenhed. Baseret på disse resultater, Duan og hans kolleger udtænkte en ny tilgang til at forberede halvleder 2-D nanoark, hvor elektroninjektionerne er kemisk manipuleret til at være under denne observerede tærskel.

"Vi kom op med ideen om at reducere elektroninjektionen i hosting 2-D krystallerne og forhindre den uønskede faseovergang ved at erstatte den lille Li ⁺ (d ≈ 2 Å) med større kationer, såsom kvaternær ammonium (d ≈ 20 Å for THAB)" Prof. Duan forklarede. "Den omfangsrige størrelse af de kvaternære ammoniummolekyler begrænser naturligvis antallet af molekyler, der kan passe ind i værtskrystallen, og dermed antallet af injicerede elektroner, som forhindrer den uønskede faseovergang til den metalliske 1T-fase."

I deres undersøgelse, forskerne med succes forberedte meget ensartede, løsningsbearbejdelig, fase-rene halvledende nanoplader, med elektrokemisk interkalation af kvaternære ammoniummolekyler til 2-D krystaller, efterfulgt af en mild sonikering og eksfolieringsproces i opløsningsmiddel. De placerede et tyndt stykke kløvet MoS ₂ krystal og en grafitstav i en elektrokemisk celle, fungerer som katode og anode, henholdsvis. Et kvaternært ammoniumbromid (dvs. THAB, TBAB, etc.) blev opløsning i acetonitril anvendt som elektrolytten. Efterfølgende, forskernes bad sonikerede det interkalerede materiale i en PVP/DMF-opløsning for at opnå en spredning af halvledende MoS ₂ nanoark.

"Den unikke fordel ved denne proces er den vellykkede bevarelse af den foretrukne halvledende 2H-fase af MoS ₂ , som tidligere viste sig at være udfordrende ved brug af konventionelle Li-interkalations- og eksfolieringsprocesser, " sagde Prof. Duan. "Interkalationen med store kvaternære alkylammoniummolekyler (dvs. THAB) tilbyder en mild tilgang til kraftigt at udvide MoS ₂ gitter til den nemme eksfoliering uden at injicere for mange elektroner i MoS ₂ lag, som forhindrer den uønskede faseovergang til 1T-MoS ₂ (sammenlignet med Li indskydning og eksfoliering)."

Denne nye flydende fase eksfolieringsproces foreslået af prof. Duan og hans kolleger kan generelt anvendes på en bred vifte af 2-D krystaller (inklusive MoS ₂ , WSe ₂ , I ₂ Se ₃ , sort fosfor og så videre) med velbevarede elektroniske og optoelektroniske egenskaber. Dette kunne hjælpe med at overvinde nogle af udfordringerne med at producere høj kvalitet, opløsnings-bearbejdelige 2-D halvleder nanoark.

"Det mest interessante resultat af vores undersøgelse er udviklingen af ​​en skalerbar og billig løsningsbaseret tilgang til fremstilling af højtydende, fleksible tyndfilmstransistorer (TFT'er) og elektroniske kredsløb baseret på 2-D halvlederblæk, " Prof. Duan sagde. "De atomisk tynde og iboende fleksible 2-D nanoark repræsenterer attraktive byggesten til fleksibel/bærbar elektronik, ligner stykker papir, der let kan bøjes, foldet og fladt."

TFT'erne, som forskerne producerede ved hjælp af deres MoS ₂ 2-D nanoark-blæk viste stærkt forbedret enhedsydelse i forhold til eksisterende løsningsbehandlet MoS ₂ TFT'er, med mindst én størrelsesorden stigning i transportørmobilitet og tre til fire størrelsesorden stigning i skifteforhold. Deres nye tilgang er let skalerbar med et højt udbytte, muliggør komplekse logiske porte og beregningskredsløb, der hidtil var uopnåelige ved brug af andre 2-D blæk.

"Løsningsfasefremstillingsprocessen af ​​fleksible TFT'er og kredsløb er i sig selv skalerbar og omkostningseffektiv og kan let laves i stor skala (> m ² ) når det kombineres med udskrivningstilgang og industrielle rulle-til-rulle-produktioner, " Prof. Duan forklarede. "TFT'er er de grundlæggende byggesten for mange store elektroniske applikationer, inklusive den velkendte TFT-LCD, et flydende krystaldisplay, der bruger TFT-teknologi til at forbedre billedkvaliteter såsom adresserbarhed og kontrast."

I fremtiden, den nye tilgang udviklet af prof. Duan og hans kolleger kunne bidrage til at skabe endnu højere kvalitet 2-D halvledende nanoark, med mange spændende applikationer. For eksempel, brugen af ​​MoS ₂ 2-D nanosheets blæk kan dramatisk reducere fremstillingsomkostningerne for fleksible skærme på næste generations tv'er, monitorer, telefoner, e-læsere, og radiofrekvensidentifikation (RFID'er) eller anden bærbar elektronik.

"Vi planlægger nu at udvide vores tilgang til andre lignende lagdelte krystaller med endnu bedre elektroniske egenskaber, og også for yderligere at forbedre enhedsintegrationsprocesserne og dermed enhedsydelsen, " sagde prof. Duan. "På samme tid, vi udforsker nye udskrivningsmetoder med disse nyformulerede blæk til skalerbar og billigere produktion af TFT'er."

© 2018 Tech Xplore