MoS2与柔性电子器件的又一Nature子刊新作

研究背景

柔性电子器件是下一代电子设备的代表，其应用范围包括柔性显示器、电子皮肤、可穿戴传感器和柔性微处理器。与传统的刚性电子器件相比，柔性电子器件具有重量轻、便于携带、可穿戴和节能等优点。最近，二维 (2D)半导体因其原子厚度以及与传统的三维半导体相比所具有的优异机械、光学和电气性能，在柔性电子器件领域引起了广泛关注。

由于开发柔性电子设备需要具有低弯曲刚度的基底，聚合物因其低成本和可获得性而成为首选之一。然而，由于聚合物的表面化学性质和热稳定性较差，它们并不是合成二维材料的合适基底。为了在柔性基底上利用最理想的二维材料特性，通常在二氧化硅(SiO2)/硅(Si)或蓝宝石等传统刚性基底上合成材料，然后转移到理想的基底上进行器件制造 。然而，转移过程会造成表面污染、褶皱和撕裂，导致材料质量下降。通过降低生长温度，可直接在聚合物上合成二维材料，从而避免了转移过程，实现了柔性电子。然而，现有研究报告指出，低温工艺会导致合成材料结晶度较差，电性能受到破坏。

研究成果

二维半导体，尤其是二硫化 (MoS2) 的最新进展，使得柔性电子器件的制造具有了出色的机械灵活性。以前的方法通常是在高温下在刚性基底上合成 MoS2，然后转移到柔性基底上制造器件。这种方法经常出现的一个缺点是，柔性衬底的熔化温度低于 MoS2 生长过程的熔化温度，而且转移过程会降低 MoS2 的电子特性。在此，韩国延世大学Jong-Hyun Ahn 教授等人报告了一种利用金属有机化学气相沉积技术在约~150C 温度下直接在聚合物和超薄玻璃基底(厚度约 30 m)上合成高质量、高结晶度 MoS2 单层的策略。通过避免转移过程MoS2的质量得以保持在柔性场效应晶体管上，实现了 9.1 cm2 V-1S-1 的迁移率和 +5 V 的正阈值电压这对于降低器件功耗至关重要。此外，在弯曲条件下，我们的逻辑电路表现出稳定的工作性能而光电晶体管则能在 405 nm到 904 nm的宽波长范围内检测光线。相关研究以“Low-temperature growth of MoS2 on polymer and thin glass substrates for flexible electronics”为题发表在Nature Technology期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Wafer-scale MoS2 synthesized on parylene C and UTG at a low temperature.

Fig. 2 | Uniformity of LT-MoS2 and growth mechanism investigated using DFT.

Fig. 3 | Comparison of LT-MoS2 and HT-MoS2.

Fig. 4 | MoS2-based logic circuits on UTG.

Fig. 5 | LT-MoS2-based phototransistor on UTG.

总结与展望

在这项研究中，作者采用 MOCVD 技术在聚合物和UTG 底上以~150℃ 的低温成功合成了高质量的晶圆级 MoS2。在柔性底上低温生长的 MoS2表现出较低的 S空位浓度使得所制造的n型场效应晶体管能够在正阈值电压的增强模式下工作，而正阈值电压对于通过降低漏电流实现低功耗工作至关重要。此外，电子器件和光电探测器是直接在柔性基底上制造的，无需使用额外的转移工艺，这就避免了污染以及皱褶和撕裂的形成，从而保持了MoS2的质量。事实证明，低温生长的 MoS2的质量足以满足具有所需功能器件的运行要求。此外，基底和MoS2 的透明性使透明光电晶体管能够从上下两面探测光线，而基底良好的机械挠曲性能也被用来实现柔性电子器件。这种低温生长方法为生产基于二维材料的先进柔性电子器件提供了一条前景广阔的途径。

文献链接

Low-temperature growth of MoS2 on polymer and thin glass substrates for flexible electronics

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01460-w

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