Science：由液相剝離納米片網絡制作的全印刷薄膜晶體管

【引言】

印刷電子器件的發展正在變得越來越重要，現今的研究都在關注新材料的研發。研究者已經對許多材料進行了考察，比如有機物、無機納米顆粒和納米管/納米線網絡。工作電壓高、遷移率低并且電流注入少仍然是擺在有機薄膜晶體管面前的挑戰。無機納米顆粒或納米管具有較高的遷移率和開/關比，但是在擴展性和集成化時仍會遇到問題。利用二維納米片的印刷網絡制作薄膜晶體管會帶來超越有機物和納米顆粒晶體管的很多優勢。納米片可以是導電的、半導體性質的或者是絕緣的，這就包含了所有制作電子器件的原料。不同種類的納米片墨水可以利用廉價的液相法得到，并可以很輕易地印刷為網絡。導電和半導體性質的納米片都具有較高的本征載流子遷移率，其網絡的遷移率受結電阻所限制。此外，納米片墨水也可以印刷在平面或者堆疊的異質結納米片網絡上。

【成果簡介】

近日，來自愛爾蘭都柏林圣三一學院的Jonathan N. Coleman和Toby Hallam（共同通訊）等人研究了基于液相剝離法制備的納米片，并用其制作了全印刷的薄膜晶體管，相關的成果以“All-printed thin-film transistors fromnetworks of liquid-exfoliated nanosheets”為題發表在了2017年4月7日的Science上。

實驗中利用電解液柵極證明了全印刷、垂直堆疊的晶體管是可行的，這些晶體管是由石墨烯源極、漏極和柵電極構成，還包括過渡金屬硫族化物溝道以及氮化硼隔離層，上述材料都是由納米片網絡構成的。納米片網絡表現出了接近600的開/關率，其跨導超過5mS，遷移率大于0.1 cm²V^-1s^-1。其開電流會隨網絡厚度和體積電容按比例變化。相比其他具有類似遷移率的器件，較大的電容和受阻礙的轉換速度使得這些器件可以在相對較低的驅動電壓下傳輸更高的電流。

【圖文導讀】

圖1 納米片及其網絡的表征

（A）MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂的分散照片

（B）液相剝離法得到的WSe₂的TEM圖

（C）納米片分散液的光吸收譜

（D）納米片的長度-厚度相關圖

（E）納米片的平均厚度-平均長度相關圖

（F）MoSe₂納米片噴射網絡的SEM圖

（G）納米網絡的拉曼光譜

（H）網絡密度相比納米片密度圖

（I）電導率相比反轉溫度圖

圖2 多孔納米片網絡薄膜晶體管的表征

（A）利用離子液體EMIm TFSI作為柵極得到的TFT示意圖

（B）利用WS₂和MoSe₂制作的TFT的轉換特性

（C）納米片的平均閾值電壓

（D）納米片的最大開/關比

（E）跨導相比網絡厚度圖

（F）利用EMIm TFSI作為電解液，將MoS₂多孔納米片網絡（PNNs）沉積在ITO玻璃上時的循環伏安曲線

（G）平面電容相比PNN厚度圖

（H）網絡遷移率相比納米片遷移率圖

（I）TFTs的遷移率相比平面電容圖

圖3 WSe₂的轉換速度表征

（A）以離子液體作為柵極時方波柵電壓隨時間的變化曲線

（B）以離子液體作為柵極時源-漏電流隨時間的變化曲線

（C）IL柵極時時間常數相比L²（L為溝道長度）圖

（D）IL/聚合物柵極時方波柵電壓隨時間的變化曲線

（E）IL/聚合物柵極時源-漏電流隨時間的變化曲線

（F）叉指金電極下的PNN噴射沉積層

（G）金頂電極上的噴射沉積氮化硼PNN

（H）BN網絡的SEM圖

（I）含BN的IL柵極時方波柵電壓隨時間的變化曲線

（J）含BN的IL柵極時源-漏電流隨時間的變化曲線

（K）源-漏電流開/關比隨柵電壓開/關轉換頻率變化曲線

圖4 全印刷-全納米片TFT

（A）全印刷TFT的結構

（B）全印刷步驟照片

（C）印刷TFT的柔性陣列

（D）WSe₂溝道和BN隔離層截面的SEM圖

（E）BN網絡的放大照片

（F）分別在柵電壓下循環1、10、25和50次后具有WSe₂活性溝道的印刷TFT的轉換曲線

【小結】

本文中成功使用納米片組成了納米片網絡，并將其應用到了全印刷薄膜晶體管的制作中，所得晶體管具有相當優異的性能。盡管如此，但是還面臨著很多問題，例如提高對網絡形貌以及相互連接的控制并優化離子液體對開關率和轉換速度的提升等。在此基礎之上，相信納米片網絡晶體管完全能夠在性能和制作的簡易性上挑戰其同輩。

文獻鏈接：All-printed thin-film transistors fromnetworks of liquid-exfoliated nanosheets（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4062）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

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