Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA), de Universiteit van Texas in Austin, en Hunan University (China) hebben onlangs een nieuwe methode bedacht om zeer uniforme, oplossing-verwerkbaar, fasezuivere halfgeleidende nanosheets. Hun aanpak, geschetst in een paper gepubliceerd in Natuur , omvat de elektrochemische intercalatie van quaternaire ammoniummoleculen in 2D-kristallen, gevolgd door een mild sonicatie- en exfoliatieproces.

Tweedimensionale (2-D) materialen bestaan ​​uit atomair dunne kristallagen gebonden door de van der Waals-kracht. Onlangs, de populariteit van deze materialen is gestegen, voornamelijk vanwege hun vele potentiële toepassingen in de elektronica, opto-elektronica en katalyse.

Dit geldt met name voor oplossing-verwerkbare 2D halfgeleider nanosheets, zoals MoS ₂ , die een bijzonder potentieel vertonen voor de ontwikkeling van dunne-filmelektronica met een groot oppervlak. Vergeleken met conventionele nul- en eendimensionale nanostructuren, die typisch worden beperkt door bungelende bindingen aan het oppervlak en bijbehorende vangsttoestanden aan korrelgrenzen, 2-D nanosheets hebben bungelvrije oppervlakken, wat resulteert in een schone interface binnen een dunne film en dus uitstekend ladingstransport.

Ondanks hun potentiële voordelen, het voorbereiden van hoogwaardige oplossingsverwerkbare 2D halfgeleider nanosheets brengt een aantal uitdagingen met zich mee. Bijvoorbeeld, MoS ₂ nanosheets en dunne films gemaakt met lithiumintercalatie en exfoliatie worden negatief beïnvloed door de aanwezigheid van de metalen 1T-fase, en dus slechte elektrische prestaties vertonen.

"In het conventionele lithium (Li) intercalatieproces, het inbrengen van elke Li ⁺ ion omvat de injectie van één elektron in de gastheerkristallen, "Prof. Xiangfeng Duan, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "De intercalatie van een groot aantal Li ⁺ leidt tot massale elektroneninjectie in de MoS ₂ kristal (1 e per formule-eenheid in LiMoS ₂ ) die de ongewenste halfgeleidende 2H naar metalen 1T faseovergang induceert."

Eerdere studies suggereren dat deze ongunstige faseovergang alleen optreedt wanneer de elektroneninjectie een bepaalde drempel overschrijdt, die van 0,29 e per MoS ₂ formule eenheid. Op basis van deze bevindingen, Duan en zijn collega's bedachten een nieuwe aanpak om halfgeleider 2-D nanosheets te maken, waarin de elektroneninjecties chemisch worden gemanipuleerd om onder deze waargenomen drempel te blijven.

"We kwamen op het idee om de elektroneninjectie in de hostende 2D-kristallen te verminderen en de ongewenste faseovergang te voorkomen door de kleine Li ⁺ (d ≈ 2 Å) met grotere kationen, zoals quaternair ammonium (d ≈ 20 Å voor THAB)", legt prof. Duan uit. "De omvangrijke grootte van de quaternaire ammoniummoleculen beperkt natuurlijk het aantal moleculen dat in het ontvangende kristal past en dus het aantal geïnjecteerde elektronen, die de ongewenste faseovergang naar de metallische 1T-fase voorkomt."

In hun studie hebben de onderzoekers hebben met succes zeer uniforme, oplossing-verwerkbaar, fasezuivere halfgeleidende nanosheets, met de elektrochemische intercalatie van quaternaire ammoniummoleculen in 2D-kristallen, gevolgd door een mild sonicatie- en exfoliatieproces in oplosmiddel. Ze plaatsten een dun stukje gespleten MoS ₂ kristal en een grafietstaaf in een elektrochemische cel, fungeren als kathode en anode, respectievelijk. Een quaternair ammoniumbromide (d.w.z. THAB, TBAB, enz.) oplossing in acetonitril werd als elektrolyt gebruikt. achtereenvolgens, het bad van de onderzoekers soniceerde het geïntercaleerde materiaal in een PVP/DMF-oplossing om een ​​dispersie van halfgeleidend MoS te verkrijgen ₂ nanobladen.

"Het unieke voordeel van dit proces is het succesvolle behoud van de favoriete halfgeleidende 2H-fase van MoS ₂ , wat eerder een uitdaging bleek te zijn met behulp van conventionele Li-intercalatie- en exfoliatieprocessen, " Prof. Duan zei. "De intercalatie met grote quaternaire alkylammoniummoleculen (d.w.z. THAB) biedt een milde aanpak om de MoS . sterk uit te breiden ₂ rooster voor gemakkelijke exfoliatie zonder overmatige elektronen in de MoS . te injecteren ₂ lagen, die de ongewenste faseovergang naar 1T-MoS . voorkomt ₂ (vergeleken met Li-intercalatie en exfoliatie)."

Dit nieuwe exfoliatieproces in de vloeistoffase, voorgesteld door prof. Duan en zijn collega's, kan in het algemeen worden toegepast op een breed scala aan 2D-kristallen (inclusief MoS ₂ , WSe ₂ , In ₂ Se ₃ , zwarte fosfor enzovoort) met goed bewaarde elektronische en opto-elektronische eigenschappen. Dit zou kunnen helpen om een ​​aantal van de uitdagingen te overwinnen bij het produceren van hoogwaardige, oplossing-verwerkbare 2D halfgeleider nanosheets.

"De meest interessante bevinding van ons onderzoek is de ontwikkeling van een schaalbare en goedkope oplossingsgebaseerde benadering voor het fabriceren van hoogwaardige, flexibele dunnefilmtransistors (TFT's) en elektronische schakelingen op basis van 2-D halfgeleiderinkt, " Prof. Duan zei. "De atomair dunne en intrinsiek flexibele 2D nanosheets vertegenwoordigen aantrekkelijke bouwstenen voor flexibele/draagbare elektronica, vergelijkbaar met stukjes papier die gemakkelijk kunnen worden gebogen, gevouwen en platgedrukt."

De TFT's die de onderzoekers maakten met hun MoS ₂ 2-D nanosheet-inkt toonde sterk verbeterde apparaatprestaties ten opzichte van bestaande oplossing-verwerkte MoS ₂ TFT's, met een toename van ten minste één orde van grootte in de mobiliteit van de vervoerder en een toename van drie tot vier ordes van grootte in de schakelverhouding. Hun nieuwe aanpak is eenvoudig schaalbaar met een hoog rendement, waardoor complexe logische poorten en rekencircuits mogelijk waren die tot nu toe onbereikbaar waren met andere 2D-inkten.

"Het fabricageproces in de oplossingsfase van flexibele TFT's en circuits is intrinsiek schaalbaar en kosteneffectief en kan gemakkelijk op grote schaal worden gerealiseerd (> m ² ) in combinatie met printbenadering en industriële roll-to-roll producties, " Prof. Duan legde uit. "TFT's zijn de fundamentele bouwstenen voor veel elektronische toepassingen met een groot oppervlak, waaronder het bekende TFT-LCD, een liquid-crystal display dat TFT-technologie gebruikt om beeldkwaliteiten zoals adresseerbaarheid en contrast te verbeteren."

In de toekomst, de nieuwe aanpak van Prof. Duan en zijn collega's zou kunnen helpen om 2-D halfgeleidende nanosheets van nog hogere kwaliteit te maken, met veel spannende toepassingen. Bijvoorbeeld, het gebruik van MoS ₂ 2-D nanosheet-inkt zou de fabricagekosten van flexibele schermen op de volgende generatie tv's drastisch kunnen verlagen, monitoren, telefoons, e-readers, en radiofrequentie-identificatie (RFID's) of andere draagbare elektronica.

"We zijn nu van plan onze benadering uit te breiden naar andere soortgelijke gelaagde kristallen met nog betere elektronische eigenschappen, en ook om de apparaatintegratieprocessen en dus de apparaatprestaties verder te verbeteren, " zei Prof. Duan. "Tegelijkertijd, we onderzoeken nieuwe printbenaderingen met deze nieuw geformuleerde inkten voor de schaalbare en goedkopere productie van TFT's."

© 2018 Tech Xplore