Elettronica di ampia area processabile in soluzione da inchiostro Nanosheet MoS2 2D. Credito:Duan Lab @UCLA Dipartimento di Chimica e Biochimica
Ricercatori dell'Università della California, Los Angeles (UCLA), l'Università del Texas ad Austin, e la Hunan University (Cina) hanno recentemente ideato un nuovo metodo di preparazione altamente uniforme, processabile in soluzione, nanofogli semiconduttori a fase pura. Il loro approccio, delineato in un articolo pubblicato su Natura , coinvolge l'intercalazione elettrochimica di molecole di ammonio quaternario in cristalli 2-D, seguito da un leggero processo di sonicazione ed esfoliazione.
I materiali bidimensionali (2-D) sono costituiti da strati di cristallo atomicamente sottili legati dalla forza di van der Waals. Recentemente, la popolarità di questi materiali è in aumento, principalmente a causa delle loro numerose potenziali applicazioni in elettronica, optoelettronica e catalisi.
Ciò è particolarmente vero per i nanosheet di semiconduttori 2-D processabili in soluzione, come MoS 2 , che mostrano un potenziale particolare per lo sviluppo dell'elettronica a film sottile di grandi dimensioni. Rispetto alle nanostrutture convenzionali zero e unidimensionali, che sono tipicamente limitati da legami penzolanti superficiali e stati di intrappolamento associati ai bordi dei grani, I nanofogli 2-D hanno superfici prive di legami penzolanti, risultando in un'interfaccia pulita all'interno di un film sottile e quindi un eccellente trasporto di carica.
Nonostante i loro potenziali benefici, la preparazione di nanosheet di semiconduttori 2-D processabili in soluzione di alta qualità comporta una serie di sfide. Ad esempio, MoS 2 i nanofogli e i film sottili creati utilizzando l'intercalazione e l'esfoliazione del litio sono influenzati negativamente dalla presenza della fase metallica 1T, e quindi mostrano scarse prestazioni elettriche.
"Nel processo di intercalazione convenzionale del litio (Li), l'inserimento di ogni Li + ione comporta l'iniezione di un elettrone nei cristalli ospiti, "Prof. Xiangfeng Duan, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "L'intercalazione di un gran numero di Li + porta a una massiccia iniezione di elettroni nel MoS 2 cristallo (1 e per unità di formula in LiMoS 2 ) che induce la transizione di fase indesiderata da semiconduttore 2H a 1T metallico."
Studi precedenti suggeriscono che questa transizione di fase sfavorevole si verifica solo quando l'iniezione di elettroni supera una certa soglia, quello di 0,29 e per MoS 2 unità di formula. Sulla base di questi risultati, Duan e i suoi colleghi hanno ideato un nuovo approccio per preparare nanofogli 2-D di semiconduttori, in cui le iniezioni di elettroni vengono manipolate chimicamente per essere al di sotto di questa soglia osservata.
"Abbiamo avuto l'idea di ridurre l'iniezione di elettroni nei cristalli 2-D ospitanti e prevenire la transizione di fase indesiderata sostituendo il piccolo Li + (d ≈ 2 Å) con cationi più grandi, come l'ammonio quaternario (d ≈ 20 Å per THAB)" ha spiegato il prof. Duan. "Le dimensioni ingombranti delle molecole di ammonio quaternario limitano naturalmente il numero di molecole che possono entrare nel cristallo ospitante e quindi il numero di elettroni iniettati, che impedisce la transizione di fase indesiderata alla fase 1T metallica."
Nel loro studio, i ricercatori hanno preparato con successo altamente uniformi, processabile in soluzione, nanofogli semiconduttori a fase pura, con l'intercalazione elettrochimica di molecole di ammonio quaternario in cristalli 2-D, seguito da un leggero processo di sonicazione ed esfoliazione in solvente. Hanno messo un sottile pezzo di MoS . spaccato 2 cristallo e una bacchetta di grafite in una cella elettrochimica, fungendo da catodo e anodo, rispettivamente. Un bromuro di ammonio quaternario (cioè THAB, TAB, ecc.) come elettrolita è stata utilizzata una soluzione in acetonitrile. Successivamente, il bagno dei ricercatori ha sonicato il materiale intercalato in una soluzione PVP/DMF per ottenere una dispersione di MoS semiconduttore 2 nanofogli.
"Il vantaggio unico di questo processo è la corretta conservazione della fase 2H semiconduttiva preferita di MoS 2 , che in precedenza era risultato essere difficile utilizzando i processi convenzionali di intercalazione ed esfoliazione del Li, " Il prof. Duan ha detto. "L'intercalazione con grandi molecole di alchil ammonio quaternario (cioè, THAB) offre un approccio delicato per espandere notevolmente il MoS 2 reticolo per la facile esfoliazione senza iniettare elettroni eccessivi nel MoS 2 strati, che impedisce la transizione di fase indesiderata a 1T-MoS 2 (rispetto all'intercalazione e all'esfoliazione di Li)."
Questo nuovo processo di esfoliazione in fase liquida proposto dal Prof. Duan e dai suoi colleghi può essere generalmente applicato a un'ampia gamma di cristalli 2-D (incluso MoS 2 , WSe 2 , In 2 Vedi 3 , fosforo nero e così via) con proprietà elettroniche e optoelettroniche ben conservate. Questo potrebbe aiutare a superare alcune delle sfide con la produzione di alta qualità, nanosheet di semiconduttori 2-D processabili in soluzione.
"La scoperta più interessante del nostro studio è lo sviluppo di un approccio scalabile e basato su soluzioni a basso costo per la fabbricazione di transistor flessibili a film sottile (TFT) e circuiti elettronici basati su inchiostro a semiconduttore 2-D, "Il prof. Duan ha detto. "I nanosheet 2D atomicamente sottili e intrinsecamente flessibili rappresentano elementi costitutivi interessanti per l'elettronica flessibile/indossabile, simili a pezzi di carta che possono essere facilmente piegati, piegato e appiattito."
I TFT che i ricercatori hanno prodotto utilizzando il loro MoS 2 L'inchiostro a nanofoglio 2-D ha mostrato prestazioni del dispositivo notevolmente migliorate rispetto al MoS già elaborato in soluzione 2 TFT, con un aumento di almeno un ordine di grandezza nella mobilità della portante e un aumento di tre o quattro ordini di grandezza nel rapporto di commutazione. Il loro nuovo approccio è facilmente scalabile con un alto rendimento, consentendo porte logiche complesse e circuiti computazionali che erano finora irraggiungibili utilizzando altri inchiostri 2-D.
"Il processo di fabbricazione in fase di soluzione di TFT e circuiti flessibili è intrinsecamente scalabile ed economico e può essere facilmente realizzato su larga scala (> m 2 ) quando combinato con l'approccio alla stampa e le produzioni industriali roll-to-roll, " Ha spiegato il Prof. Duan. "I TFT sono i mattoni fondamentali per molte applicazioni elettroniche di grandi dimensioni, compreso il noto TFT-LCD, un display a cristalli liquidi che utilizza la tecnologia TFT per migliorare le qualità dell'immagine come l'indirizzabilità e il contrasto."
In futuro, il nuovo approccio ideato dal Prof. Duan e dai suoi colleghi potrebbe aiutare a creare nanofogli semiconduttori 2-D di qualità ancora più elevata, con molte applicazioni interessanti. Ad esempio, l'uso di MoS 2 L'inchiostro a nanofogli 2-D potrebbe ridurre drasticamente i costi di fabbricazione dei display flessibili sui televisori di prossima generazione, monitor, telefoni, e-reader, e identificazione a radiofrequenza (RFID) o altri dispositivi elettronici indossabili.
"Ora abbiamo in programma di estendere il nostro approccio ad altri cristalli stratificati simili con proprietà elettroniche ancora migliori, e anche per migliorare ulteriormente i processi di integrazione del dispositivo e quindi le prestazioni del dispositivo, "Il prof. Duan ha detto. "Allo stesso tempo, stiamo esplorando nuovi approcci di stampa con questi inchiostri di nuova formulazione per la produzione scalabile ed economica di TFT."
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