彭海琳課題組報(bào)道溶液法制備高性能硒氧化鉍柔性薄膜和器件
高遷移率二維半導(dǎo)體因其獨(dú)特的材料性能有望用于構(gòu)筑后硅電子學(xué)器件。與典型的體相半導(dǎo)體相比，二維半導(dǎo)體薄膜的原子級(jí)厚度除了可有效抑制短溝道效應(yīng)外，還兼具良好的柔性，這使其在柔性顯示和集成電路等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，雖然大量的二維半導(dǎo)體材料體系相繼被開發(fā)出來，但高遷移率二維半導(dǎo)體薄膜的便捷制備方法及其高性能柔性器件的構(gòu)筑手段依然缺乏，阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。例如，通過化學(xué)氣相沉積或溶液法合成的過渡金屬二硫化物（如MoS2）薄膜通常具有相對(duì)較低的遷移率（<10 cm2/Vs）。此外，在柔性基底上構(gòu)筑高性能柔性器件仍具挑戰(zhàn)。
近年來，北京大學(xué)彭海琳教授一直致力于高遷移率二維材料（石墨烯、拓?fù)浣^緣體、氧硫族半導(dǎo)體）的制備、物性與應(yīng)用等方面的研究。近期開發(fā)了超高遷移率二維硒氧化鉍半導(dǎo)體芯片材料（硒氧化鉍，Bi2O2Se），并構(gòu)筑了高性能場效應(yīng)晶體管和超快高敏紅外光探測器等器件（Nat. Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060; Nat. Commun. 2018, 9, 3311; Sci. Adv. 2018, 4, eaat8355; Nano Lett. 2019, 9, 197; Nano Lett. 2019, 19, 2148; Adv. Mater. 2019, 31, 1901964）。最近，彭海琳課題組發(fā)展了一種簡便、快速且可放量的高遷移率二維半導(dǎo)體Bi2O2Se柔性薄膜的溶液輔助制備方法，將反應(yīng)前驅(qū)體Bi(NO3)3•5H2O/乙二醇溶液旋涂到云母基底上，經(jīng)簡單的空氣加熱分解并結(jié)合硒化處理，即可合成高質(zhì)量的二維Bi2O2Se薄膜，表面連續(xù)平整且厚度精確可調(diào)，可用來構(gòu)筑高性能二維Bi2O2Se晶體管器件，其室溫霍爾遷移率高達(dá)~74 cm2/Vs，遠(yuǎn)高于目前已知的其他的二維半導(dǎo)體薄膜（如過渡金屬硫?qū)倩衔?/span>等）。此外，二維Bi2O2Se晶體管器件具有較好的柔性，能完好無損地從云母基底上轉(zhuǎn)移到柔性聚氯乙烯（PVC）基底上，并保持了優(yōu)異的電學(xué)性能（場效應(yīng)遷移率>100 cm2/Vs，開關(guān)比大于105）和出色的電學(xué)穩(wěn)定性。因此，二維Bi2O2Se半導(dǎo)體薄膜兼具合成簡單、遷移率高、穩(wěn)定性好以及易于轉(zhuǎn)移到柔性基底上等優(yōu)勢，這使其有望用于下一代柔性電子學(xué)器件中。此外，溶液輔助合成方法特有的元素組成調(diào)變優(yōu)勢，為其他氧硫族半導(dǎo)體薄膜的合成和摻雜提供了有力的參考和借鑒。
近日，該工作以“High-mobility flexible oxyselenide thin-film transistors prepared by solution-assisted method”為題發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2726-2731）上。北京大學(xué)彭海琳教授和該課題組剛出站博士后吳金雄博士（現(xiàn)為南開大學(xué)特聘研究員）是該工作的共同通訊作者，第一作者為北京大學(xué)博士研究生張聰聰，該工作的主要合作者還包括北京大學(xué)物理學(xué)院的高鵬研究員。該工作得到了來自國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京分子科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。
Bi2O2Se薄膜的溶液輔助制備方法及其高性能柔性晶體管
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