Science：由液相剥离纳米片网络制作的全印刷薄膜晶体管

【引言】

印刷电子器件的发展正在变得越来越重要，现今的研究都在关注新材料的研发。研究者已经对许多材料进行了考察，比如有机物、无机纳米颗粒和纳米管/纳米线网络。工作电压高、迁移率低并且电流注入少仍然是摆在有机薄膜晶体管面前的挑战。无机纳米颗粒或纳米管具有较高的迁移率和开/关比，但是在扩展性和集成化时仍会遇到问题。利用二维纳米片的印刷网络制作薄膜晶体管会带来超越有机物和纳米颗粒晶体管的很多优势。纳米片可以是导电的、半导体性质的或者是绝缘的，这就包含了所有制作电子器件的原料。不同种类的纳米片墨水可以利用廉价的液相法得到，并可以很轻易地印刷为网络。导电和半导体性质的纳米片都具有较高的本征载流子迁移率，其网络的迁移率受结电阻所限制。此外，纳米片墨水也可以印刷在平面或者堆叠的异质结纳米片网络上。

【成果简介】

近日，来自爱尔兰都柏林圣三一学院的Jonathan N. Coleman和Toby Hallam（共同通讯）等人研究了基于液相剥离法制备的纳米片，并用其制作了全印刷的薄膜晶体管，相关的成果以“All-printed thin-film transistors fromnetworks of liquid-exfoliated nanosheets”为题发表在了2017年4月7日的Science上。

实验中利用电解液栅极证明了全印刷、垂直堆叠的晶体管是可行的，这些晶体管是由石墨烯源极、漏极和栅电极构成，还包括过渡金属硫族化物沟道以及氮化硼隔离层，上述材料都是由纳米片网络构成的。纳米片网络表现出了接近600的开/关率，其跨导超过5mS，迁移率大于0.1 cm²V^-1s^-1。其开电流会随网络厚度和体积电容按比例变化。相比其他具有类似迁移率的器件，较大的电容和受阻碍的转换速度使得这些器件可以在相对较低的驱动电压下传输更高的电流。

【图文导读】

图1 纳米片及其网络的表征

（A）MoS₂、MoSe₂、WS₂和WSe₂的分散照片

（B）液相剥离法得到的WSe₂的TEM图

（C）纳米片分散液的光吸收谱

（D）纳米片的长度-厚度相关图

（E）纳米片的平均厚度-平均长度相关图

（F）MoSe₂纳米片喷射网络的SEM图

（G）纳米网络的拉曼光谱

（H）网络密度相比纳米片密度图

（I）电导率相比反转温度图

图2 多孔纳米片网络薄膜晶体管的表征

（A）利用离子液体EMIm TFSI作为栅极得到的TFT示意图

（B）利用WS₂和MoSe₂制作的TFT的转换特性

（C）纳米片的平均阈值电压

（D）纳米片的最大开/关比

（E）跨导相比网络厚度图

（F）利用EMIm TFSI作为电解液，将MoS₂多孔纳米片网络（PNNs）沉积在ITO玻璃上时的循环伏安曲线

（G）平面电容相比PNN厚度图

（H）网络迁移率相比纳米片迁移率图

（I）TFTs的迁移率相比平面电容图

图3WSe₂的转换速度表征

（A）以离子液体作为栅极时方波栅电压随时间的变化曲线

（B）以离子液体作为栅极时源-漏电流随时间的变化曲线

（C）IL栅极时时间常数相比L²（L为沟道长度）图

（D）IL/聚合物栅极时方波栅电压随时间的变化曲线

（E）IL/聚合物栅极时源-漏电流随时间的变化曲线

（F）叉指金电极下的PNN喷射沉积层

（G）金顶电极上的喷射沉积氮化硼PNN

（H）BN网络的SEM图

（I）含BN的IL栅极时方波栅电压随时间的变化曲线

（J）含BN的IL栅极时源-漏电流随时间的变化曲线

（K）源-漏电流开/关比随栅电压开/关转换频率变化曲线

图4 全印刷-全纳米片TFT

（A）全印刷TFT的结构

（B）全印刷步骤照片

（C）印刷TFT的柔性阵列

（D）WSe₂沟道和BN隔离层截面的SEM图

（E）BN网络的放大照片

（F）分别在栅电压下循环1、10、25和50次后具有WSe₂活性沟道的印刷TFT的转换曲线

【小结】

本文中成功使用纳米片组成了纳米片网络，并将其应用到了全印刷薄膜晶体管的制作中，所得晶体管具有相当优异的性能。尽管如此，但是还面临着很多问题，例如提高对网络形貌以及相互连接的控制并优化离子液体对开关率和转换速度的提升等。在此基础之上，相信纳米片网络晶体管完全能够在性能和制作的简易性上挑战其同辈。

文献链接：All-printed thin-film transistors fromnetworks of liquid-exfoliated nanosheets（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4062）

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