直写二维过渡金属硫族化合物

在二位材料石墨烯的“淘金热”浪潮之后,其他二维材料引发人们对他们特异性质的关注。其中,二维(2D)过渡金属二硫化物(TMDCs)因其纳米尺度的新特性引起人们的关注,应用涉及半导体器件如快速光电器件和超薄光伏器件等。已经开发出大面积TMDC薄膜方法包括化学气相沉积(CVD) ,机械剥离,和原子层沉积(ALD)等。然而,低成本,层数可控的大面积制备方法仍然具有挑战性。尤其是在非外延衬底 (如SiO2)上实现晶圆规模沉积MoS2和WS2膜仍然是一个重大挑战。金属有机化学气相沉积(MOCVD)不仅工艺复杂价格昂贵,而且只能制备多晶薄膜。 在蓝宝石和云母衬底上的外延CVD沉积的TMDC 薄膜,又不可避免的引入了转移过程以进一步制备电子器件。大规模低成本TMDC合成方法,尤其是印刷兼容工艺对TMDC在电子设备中的大面积合成和实际应用至关重要。

美国加州大学伯克利分校的林立伟教授课题组的臧浠凝博士(现为麻省理工材料系博士后)与劳伦斯伯克利实验室的 Nathan Hohman和其他合作者开发了一种利用金属络合名叫水凝胶辅助的大面积 TMDC 制备和印刷方法。

高价过渡金属离子(Mo5+,W6+)与明胶水凝胶自组装成层状结构, 并可以旋涂在多种基材上,包括氧化硅或高温石英。通过420℃下在硫蒸气中退火,可以将金属-水凝胶转化成相应的TMDC(MoS2和WS2)。调节表面活性剂和金属离子的浓度,可以制备厚度范围从几层到几百纳米TMDC膜。该方法适用于使用接触印刷工艺在多功能基板上直接写入和图案化TMDC。利用该方法可以制备由WS2沟道和银源/漏接触电极薄膜晶体管。这种自组装辅助制造和图案化TMDC的方法,增加了其在电子产品中的可行性,并可推广于其他半导体材料制造加工。该结果发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201807612)。