Des chercheurs de l'Université de Californie, Los Angeles (UCLA), l'Université du Texas à Austin, et l'Université du Hunan (Chine) ont récemment mis au point une nouvelle méthode de préparation hautement uniforme, solution-traitable, nanofeuillets semi-conducteurs à phase pure. Leur approche, décrit dans un article publié dans La nature , implique l'intercalation électrochimique de molécules d'ammonium quaternaire en cristaux 2-D, suivi d'un léger processus de sonication et d'exfoliation.

Les matériaux bidimensionnels (2-D) sont constitués de couches cristallines atomiquement minces liées par la force de van der Waals. Récemment, la popularité de ces matériaux est à la hausse, principalement en raison de leurs nombreuses applications potentielles en électronique, optoélectronique et catalyse.

Cela est particulièrement vrai pour les nanofeuilles semi-conductrices 2-D traitables en solution, comme le MoS 2 , qui présentent un potentiel particulier pour le développement de l'électronique à couche mince de grande surface. Par rapport aux nanostructures conventionnelles à zéro et à une dimension, qui sont généralement limités par les liaisons pendantes de surface et les états de piégeage associés aux joints de grains, Les nanofeuilles 2D ont des surfaces sans liaison pendantes, résultant en une interface propre dans un film mince et donc un excellent transport de charge.

Malgré leurs avantages potentiels, La préparation de nanofeuilles semi-conducteurs 2-D de haute qualité pouvant être traitées en solution comporte un certain nombre de défis. Par exemple, MoS 2 les nanofeuillets et les films minces créés par intercalation et exfoliation au lithium sont affectés négativement par la présence de la phase métallique 1T, et montrent ainsi de mauvaises performances électriques.

"Dans le procédé d'intercalation conventionnel du lithium (Li), l'insertion de chaque Li ⁺ ion implique l'injection d'un électron dans les cristaux hôtes, " Professeur Xiangfeng Duan, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. "L'intercalation d'un grand nombre de Li ⁺ conduit à une injection massive d'électrons dans le MoS 2 cristal (1 e par unité de formule en LiMoS 2 ) qui induit la transition de phase semi-conductrice indésirable 2H à 1T métallique."

Des études antérieures suggèrent que cette transition de phase défavorable ne se produit que lorsque l'injection d'électrons dépasse un certain seuil, celui de 0,29 e par MoS 2 unité de formule. Sur la base de ces constatations, Duan et ses collègues ont conçu une nouvelle approche pour préparer des nanofeuilles semi-conductrices 2-D, dans lequel les injections d'électrons sont manipulées chimiquement pour être inférieures à ce seuil observé.

"Nous avons eu l'idée de réduire l'injection d'électrons dans les cristaux 2-D hôtes et d'empêcher la transition de phase indésirable en remplaçant le petit Li ⁺ (d 2 Å) avec des cations plus gros, comme l'ammonium quaternaire (d ≈ 20 Å pour le THAB)", a expliqué le Pr Duan. "La taille volumineuse des molécules d'ammonium quaternaire limite naturellement le nombre de molécules pouvant s'insérer dans le cristal hôte et donc le nombre d'électrons injectés, ce qui empêche la transition de phase indésirable vers la phase métallique 1T."

Dans leur étude, les chercheurs ont réussi à préparer très uniforme, solution-traitable, nanofeuillets semi-conducteurs à phase pure, avec l'intercalation électrochimique de molécules d'ammonium quaternaire en cristaux 2-D, suivi d'un processus de sonication et d'exfoliation doux dans un solvant. Ils ont placé un mince morceau de MoS clivé 2 cristal et une tige de graphite dans une cellule électrochimique, faisant office de cathode et d'anode, respectivement. Un bromure d'ammonium quaternaire (c'est-à-dire THAB, TBAB, etc.) une solution dans l'acétonitrile a été utilisée comme électrolyte. Successivement, le bain des chercheurs a soniqué le matériau intercalé dans une solution de PVP/DMF afin d'obtenir une dispersion de MoS semi-conducteur 2 nanofeuillets.

"L'avantage unique de ce procédé est la préservation réussie de la phase 2H semi-conductrice privilégiée du MoS 2 , ce qui s'est avéré auparavant difficile à l'aide des processus conventionnels d'intercalation et d'exfoliation du Li, " a déclaré le professeur Duan. " L'intercalation avec de grandes molécules d'alkylammonium quaternaire (c'est-à-dire, THAB) offre une approche douce pour étendre considérablement le MoS 2 treillis pour l'exfoliation facile sans injecter des électrons excessifs dans le MoS 2 couches, qui empêche la transition de phase indésirable vers 1T-MoS 2 (par rapport à l'intercalation et à l'exfoliation au Li)."

Ce nouveau processus d'exfoliation en phase liquide proposé par le professeur Duan et ses collègues peut être généralement appliqué à une large gamme de cristaux 2-D (y compris MoS 2 , WSe 2 , Dans 2 Se 3 , phosphore noir et ainsi de suite) avec des propriétés électroniques et optoélectroniques bien conservées. Cela pourrait aider à surmonter certains des défis liés à la production de produits de haute qualité, nanofeuillets semi-conducteurs 2-D traitables en solution.

« La conclusion la plus intéressante de notre étude est le développement d'une approche basée sur des solutions évolutives et à faible coût pour la fabrication de hautes performances, des transistors à couches minces flexibles (TFT) et des circuits électroniques à base d'encre semi-conductrice 2-D, " a déclaré le professeur Duan. " Les nanofeuilles 2D atomiquement minces et intrinsèquement flexibles représentent des blocs de construction attrayants pour l'électronique flexible/portable, semblable à des morceaux de papier qui peuvent être facilement pliés, plié et aplati."

Les TFT que les chercheurs ont produits à l'aide de leur MoS 2 L'encre nanofeuille 2D a montré des performances de l'appareil considérablement améliorées par rapport au MoS traité en solution existant 2 TFT, avec au moins un ordre de grandeur d'augmentation de la mobilité des porteurs et trois à quatre ordres de grandeur d'augmentation du rapport de commutation. Leur nouvelle approche est facilement évolutive avec un rendement élevé, permettant des portes logiques complexes et des circuits de calcul qui étaient jusqu'à présent inaccessibles avec d'autres encres 2D.

« Le processus de fabrication en phase de solution des TFT et des circuits flexibles est intrinsèquement évolutif et rentable et peut être facilement mis en œuvre à grande échelle (> m ² ) lorsqu'il est combiné avec une approche d'impression et des productions industrielles de rouleau à rouleau, " a expliqué le professeur Duan. " Les TFT sont les blocs de construction fondamentaux pour de nombreuses applications électroniques à grande surface, y compris le TFT-LCD bien connu, un écran à cristaux liquides qui utilise la technologie TFT pour améliorer les qualités d'image telles que l'adressabilité et le contraste."

Dans le futur, la nouvelle approche conçue par le professeur Duan et ses collègues pourrait aider à créer des nanofeuilles semi-conductrices 2-D de meilleure qualité, avec de nombreuses applications passionnantes. Par exemple, l'utilisation de MoS 2 Les nanofeuilles d'encre 2D pourraient réduire considérablement les coûts de fabrication des écrans flexibles sur les téléviseurs de nouvelle génération, moniteurs, Téléphone (s, liseuses, et identification par radiofréquence (RFID) ou autres appareils électroniques portables.

"Nous prévoyons maintenant d'étendre notre approche à d'autres cristaux en couches similaires avec des propriétés électroniques encore meilleures, et également pour améliorer encore les processus d'intégration des appareils et donc les performances des appareils, " a déclaré le professeur Duan. " En même temps, nous explorons de nouvelles approches d'impression avec ces encres nouvellement formulées pour la production évolutive et moins chère de TFT."

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