Lösningsbearbetbar storareaelektronik från MoS2 2D nanosheets-bläck. Kredit:Duan Lab @UCLA Institutionen för kemi och biokemi
Forskare vid University of California, Los Angeles (UCLA), University of Texas i Austin, och Hunan University (Kina) har nyligen tagit fram en ny metod för att förbereda mycket enhetliga, lösningsbearbetningsbar, fasrena halvledande nanoark. Deras tillvägagångssätt, beskrivs i en tidning publicerad i Natur , involverar elektrokemisk interkalering av kvartära ammoniummolekyler till 2D-kristaller, följt av en mild ultraljuds- och exfolieringsprocess.
Tvådimensionella (2-D) material består av atomärt tunna kristallskikt bundna av van der Waals-kraften. Nyligen, populariteten för dessa material har ökat, främst på grund av deras många potentiella tillämpningar inom elektronik, optoelektronik och katalys.
Detta gäller särskilt för lösningsbearbetbara 2D-halvledarnanoark, såsom MoS 2 , som visar särskild potential för utveckling av tunnfilmselektronik med stora ytor. Jämfört med konventionella noll- och endimensionella nanostrukturer, som vanligtvis begränsas av hängande bindningar på ytan och tillhörande fångsttillstånd vid korngränser, 2D nanosheets har hängande bindningsfria ytor, vilket resulterar i ett rent gränssnitt i en tunn film och därmed utmärkt laddningstransport.
Trots deras potentiella fördelar, Att förbereda högkvalitativa lösningsbearbetbara 2D-halvledarnanoark kommer med ett antal utmaningar. Till exempel, MoS 2 nanosheets och tunna filmer skapade med hjälp av litiuminterkalering och exfoliering påverkas negativt av närvaron av den metalliska 1T-fasen, och visar därmed dålig elektrisk prestanda.
"I den konventionella litium (Li) interkaleringsprocessen, införandet av varje Li + jon innebär injektion av en elektron i värdkristallerna, " Prof. Xiangfeng Duan, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Inläggningen av ett stort antal Li + leder till massiv elektroninjektion i MoS 2 kristall (1 e per formelenhet i LiMoS 2 ) som inducerar den oönskade halvledande 2H till metalliska 1T fasövergången."
Tidigare studier tyder på att denna ogynnsamma fasövergång endast inträffar när elektroninsprutningen överskrider en viss tröskel, det på 0,29 e per MoS 2 formelenhet. Baserat på dessa fynd, Duan och hans kollegor utarbetade ett nytt tillvägagångssätt för att förbereda halvledar 2-D nanoark, där elektroninjektionerna manipuleras kemiskt för att ligga under denna observerade tröskel.
"Vi kom på idén att minska elektroninsprutningen i värd 2-D kristallerna och förhindra den oönskade fasövergången genom att ersätta den lilla Li + (d ≈ 2 Å) med större katjoner, såsom kvartärt ammonium (d ≈ 20 Å för THAB)" förklarade prof. Duan. "Den skrymmande storleken på de kvartära ammoniummolekylerna begränsar naturligtvis antalet molekyler som kan passa in i värdkristallen och därmed antalet elektroner som injiceras, som förhindrar den oönskade fasövergången till den metalliska 1T-fasen."
I deras studie, forskarna förberedde framgångsrikt mycket enhetliga, lösningsbearbetningsbar, fasrena halvledande nanoark, med elektrokemisk interkalering av kvartära ammoniummolekyler till 2D-kristaller, följt av en mild ultraljuds- och exfolieringsprocess i lösningsmedel. De placerade en tunn bit av kluven MoS 2 kristall och en grafitstav i en elektrokemisk cell, fungerar som katod och anod, respektive. En kvartär ammoniumbromid (dvs. THAB, TBAB, etc.) lösning i acetonitril användes som elektrolyt. Successivt, forskarnas bad sonikerade det interkalerade materialet i en PVP/DMF-lösning för att uppnå en dispersion av halvledande MoS 2 nanoark.
"Den unika fördelen med denna process är det framgångsrika bevarandet av den gynnade halvledande 2H-fasen av MoS 2 , som tidigare visat sig vara utmanande med konventionella Li-interkalerings- och exfolieringsprocesser, " Prof. Duan sa. "Interkalationen med stora kvartära alkylammoniummolekyler (dvs. THAB) erbjuder ett milt tillvägagångssätt för att kraftigt utöka MoS 2 gitter för enkel exfoliering utan att injicera för mycket elektroner i MoS 2 skikten, vilket förhindrar den oönskade fasövergången till 1T-MoS 2 (jämfört med Li-interkalering och exfoliering)."
Denna nya exfolieringsprocess i flytande fas som föreslagits av professor Duan och hans kollegor kan generellt tillämpas på ett brett utbud av 2D-kristaller (inklusive MoS 2 , WSe 2 , I 2 Se 3 , svart fosfor och så vidare) med välbevarade elektroniska och optoelektroniska egenskaper. Detta kan hjälpa till att övervinna några av utmaningarna med att producera högkvalitativa, lösningsbearbetbara 2D-halvledarnanoark.
"Det mest intressanta resultatet av vår studie är utvecklingen av en skalbar och lågkostnadslösningsbaserad metod för att tillverka högpresterande, flexibla tunnfilmstransistorer (TFT) och elektroniska kretsar baserade på 2-D halvledarbläck, " Prof. Duan sa. "De atomärt tunna och inneboende flexibla 2-D nanosheets representerar attraktiva byggstenar för flexibel/bärbar elektronik, liknar pappersbitar som lätt kan böjas, vikta och tillplattade."
TFT:erna som forskarna producerade med deras MoS 2 2-D nanoarkbläck visade avsevärt förbättrad enhetsprestanda jämfört med befintliga lösningsbehandlade MoS 2 TFT, med åtminstone en storleksordningsökning i bärarmobilitet och tre till fyra storleksordningsökningar i omkopplingsförhållande. Deras nya tillvägagångssätt är lätt skalbar med hög avkastning, möjliggör komplexa logiska grindar och beräkningskretsar som hittills varit ouppnåeliga med andra 2D-bläck.
"Tillverkningsprocessen i lösningsfas av flexibla TFT:er och kretsar är i sig skalbar och kostnadseffektiv och kan lätt göras i stor skala (> m 2 ) i kombination med utskriftsmetod och industriell roll-to-roll-produktion, " Prof. Duan förklarade. "TFT är de grundläggande byggstenarna för många stora elektroniska applikationer, inklusive den välkända TFT-LCD, en flytande kristallskärm som använder TFT-teknik för att förbättra bildkvaliteter som adresserbarhet och kontrast."
I framtiden, det nya tillvägagångssättet som utarbetats av prof. Duan och hans kollegor kan bidra till att skapa ännu högre kvalitet 2-D halvledande nanoark, med många spännande applikationer. Till exempel, användningen av MoS 2 2-D nanosheets-bläck kan dramatiskt minska tillverkningskostnaderna för flexibla skärmar på nästa generations TV-apparater, monitorer, telefoner, e-läsare, och radiofrekvensidentifiering (RFID) eller annan bärbar elektronik.
"Vi planerar nu att utöka vår strategi till andra liknande skiktade kristaller med ännu bättre elektroniska egenskaper, och även för att ytterligare förbättra enhetsintegrationsprocesserna och därmed enhetens prestanda, Prof. Duan sa. "Samtidigt, vi utforskar nya utskriftsmetoder med dessa nyformulerade bläck för skalbar och billigare produktion av TFT."
© 2018 Tech Xplore
