Nature：MoS2二维纳米片液相制备新策略

二维（2D）材料通过层与层之间的范德华力堆积在一起，在电子、光电子器件和催化在内的多个领域都有潜在应用，备受研究者关注。与传统的零维和一维纳米结构相比，二维纳米片层具有原子级清洁的界面，免除了表面悬挂键（Dangling-bond）的困扰，保证了优异的电荷传输。然而，尽管之前的文献报道了如液相剥离、锂离子插层法等制备二维半导体（例如MoS₂）纳米片，其电子器件的性能差强人意。因此通过溶液法制备高质量的、均匀的半导体纳米片材料仍然是一个挑战。

MX₂二维材料家族。图片来源：Nat. Chem.^[1]

近期，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）段镶锋教授和黄昱教授在Nature 上报道了一种液相制备高品质纯相MoS₂等二维半导体纳米片的新策略，并实现了大面积的高性能薄膜晶体管电子器件的构建。该文第一作者是Zhaoyang Lin博士。

直径100 mm的MoS₂薄膜及晶体管阵列。图片来源：Nature

锂离子插层法是一种常用的二维半导体纳米片剥离方法，然而在嵌锂过程中，大量的锂离子导致电子注入到MoS₂晶体中，发生相变（2H相转变为1T相），电学性能下降。然而，研究者发现导致相变的主要原因是电子注入超过某一阈值（0.29个电子每MoS₂单元），那么换句话说，利用半径较大的阳离子插层，可以减少阳离子嵌入数量，从而使注入电子降低到阈值以下，防止相变的发生。于是，研究者选中了季铵盐，例如溴化四庚基铵（THAB）。

MoS₂纳米片的制备。图片来源：Nature

首先，MoS₂晶体在聚乙烯吡咯烷酮-二甲基甲酰胺（PVP/DMF）溶液中，通过超声处理使其膨胀，随后利用季铵盐阳离子（THAB）插层法和温和条件下的超声处理快速剥离，制备MoS₂纳米片。适当浓度的PVP作为稳定剂可以有效防止MoS₂重新堆积。随后，将所得产物洗涤，并分散在异丙醇中，可以制得不同浓度、稳定的MoS₂分散液（浓度高达~10 mg ml^-1）。纳米片的平均厚度为3.8±0.9 nm，尺寸在0.5～2 μm之间。

MoS₂纳米片的结构表征。图片来源：Nature

区别于锂离子插层法，这种策略所得MoS₂纳米片保留了本征半导体2H晶相，分散液呈绿色。相比之下，锂离子插层法剥离后的MoS₂分散液呈黑色，生成了1T晶相。光致发光光谱、XPS、紫外光谱等测试也证实了晶相的差别。由THAB剥离法制得的单个MoS₂纳米片组成场效应晶体管，电子迁移率高达~10 cm²•V^-1•s^-1，电流调制超过五个数量级，相比之下锂离子插层法剥离产物电子迁移率只有0.1 cm²•V^-1•s^-1，电流调制几乎可以忽略不计。

季铵盐和锂离子插层/剥离制备MoS₂纳米片性质对比。图片来源：Nature

这种MoS₂纳米片的稳定分散液完全可以作为高质量“半导体油墨”，通过各种溶液加工方法在各种基材上制备大面积薄膜，从而构建大面积MoS₂薄膜电子器件。研究者通过旋涂工艺在直径100 mm的SiO₂/Si片上制备了大面积高质量MoS₂薄膜。再利用标准光刻法和刻蚀过程，制备了背栅MoS₂薄膜晶体管，平均迁移率为7~11 cm²•V^-1•s^-1，开关比为~10⁶。

晶体管的输出曲线统计。图片来源：Nature

为了验证MoS₂薄膜晶体管的实用性，研究者制备了逆变器、逻辑门（与非门、或非门、与门、异或门），并成功地演示了基本的逻辑计算。这为MoS₂薄膜晶体管基本逻辑门的创建和数字集成电路的组织，开辟了一个新的途径。

MoS₂薄膜晶体管构建逻辑门和计算电路。图片来源：Nature

总之，研究者利用季铵盐插层和剥离的策略，制备出高质量MoS₂纳米片并成功地应用于大面积薄膜电子器件，可用于构建数字集成电路。类似地，WSe₂、Bi₂Se₃、NbSe₂、In₂Se₃、Sb₂Te₃和黑磷也可以通过类似方法处理，制备出可溶液加工的二维半导体纳米片，以建立具有不同功能的二维材料库，为大规模制备大面积下一代电子器件和光电子器件提供了新的方向。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Solution-processable 2D semiconductors for high-performance large-area electronics

Nature, 2018, 562, 254–258, DOI: 10.1038/s41586-018-0574-4

参考文献：

1. Chhowalla M, Shin H S, Eda G, et al. The chemistry of two-dimensional layered transition metal dichalcogenide nanosheets, Nat. Chem., 2013, 5, 263-275.

（本文由小希供稿）