二維（2D）半導(dǎo)體材料為將摩爾定律擴(kuò)展到原子尺度提供了機(jī)會(huì)。與傳統(tǒng)基于蒸鍍和光刻技術(shù)的加工技術(shù)相比，印刷電子因成本效益、靈活性以及與不同襯底的兼容性而受到關(guān)注。目前，印刷的二維晶體管受到性能不理想、半導(dǎo)體層較厚和器件密度低的制約。同時(shí)，多數(shù)二維材料油墨通常使用高沸點(diǎn)溶劑，隨之而來(lái)的問(wèn)題包括器件性能退化、高材料成本和毒害性等，難以大規(guī)模應(yīng)用。因此，發(fā)展簡(jiǎn)單且環(huán)保的策略對(duì)于制造低成本、大規(guī)模的打印二維材料功能器件具有重要意義。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋延林課題組在二維原子級(jí)厚材料合成和圖案化器件方面取得了系列進(jìn)展，例如，二維MXene與納米晶復(fù)合材料研究（J.Mater.Chem.2022,10,14674-14691；Nano Res.2022，DOI：10.1007/s12274-022-4667-x）、基于交替堆疊微電極的濕度傳感微型超級(jí)電容器（Energy Environ.Mater.2022，DOI：10.1002/eem2.12546）。

近日，化學(xué)所與清華大學(xué)、美國(guó)加州大學(xué)合作，提出了一種界面捕獲效應(yīng)打印策略。該策略使用低沸點(diǎn)水性超分散二維材料油墨，直寫(xiě)打印二維半導(dǎo)體薄膜陣列，無(wú)需添加額外表面活性劑。具體而言，這一策略通過(guò)對(duì)剝離的半導(dǎo)體2H-MoS2納米片進(jìn)行分級(jí)離心，獲得了主要為雙層厚度的窄分布納米片；通過(guò)建立表面張力和組分比的三溶劑相圖，確定了合適的油墨溶劑。印刷超薄圖案（約3nm厚度）主要以單層或兩層的MoS2納米片連續(xù)均勻排列，并抑制了咖啡環(huán)，空隙率較低（約4.9%）。研究使用商用石墨烯作為電極，制備的晶體管在室溫下顯示出6.7 cm2·V-1·s-1的遷移率和2×106的開(kāi)關(guān)比，超過(guò)了此前印刷MoS2薄膜晶體管的性能?；诖耍蒲腥藛T制備了高密度（約47000個(gè)/cm2）印刷晶體管陣列。該界面捕獲效應(yīng)打印策略可應(yīng)用于其他2D材料，包括NbSe2、Bi2Se3和黑磷，為印刷二維材料電子器件提供了新方法和新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202207392）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、中科院、北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)及北京市自然科學(xué)基金的支持。

界面捕獲效應(yīng)和超分散2D納米片墨水打印原子級(jí)厚半導(dǎo)體薄膜器件