范德華異質(zhì)結(jié)，Nature Electronics！
米測MeLab
納米人
2025-03-07
研究背景
基于分子插層的電化學剝離技術(shù)可用于構(gòu)建范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)的大規(guī)模組裝通常需要依賴光刻及隨后的轉(zhuǎn)移過程，這些過程涉及各種化學溶劑，可能會殘留化學污染物并限制圖案化分辨率。為了解決這些問題，延世大學Jeong Ho Cho教授以及成均館大學Joohoon Kang團隊在“Nature Electronics”期刊上發(fā)表了題為“Orthogonal photopatterning of two-dimensional percolated network films for wafer-scale heterostructures”的最新論文。他們展示了一種基于光反應交聯(lián)劑的電化學剝離2D薄片的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)圖案化制造方法。當含有交聯(lián)劑的2D范德華滲透網(wǎng)絡(luò)暴露于紫外光時，網(wǎng)絡(luò)連接處形成共價鍵，從而增強電荷傳輸，并可在不影響底層預圖案化層的情況下，實現(xiàn)垂直堆疊范德華薄膜網(wǎng)絡(luò)的正交圖案化。該方法可用于制造基于不同2D材料的晶圓級光圖案化場效應晶體管（FET）陣列。這些FET器件表現(xiàn)出高度的空間均勻性，并可用于構(gòu)建邏輯門，包括NOT、NAND和NOR門。研究亮點
1) 實驗首次提出無光刻膠、正交多重圖案化薄膜（PROMPT）方法，并利用該方法制備了基于溶液處理二維（2D）材料的可擴展垂直范德華異質(zhì)結(jié)，成功實現(xiàn)了高分辨率（最小5 μm）的二維材料圖案化。2) 實驗通過光交聯(lián)劑的紫外光（UV）照射誘導交聯(lián)作用，使二維材料網(wǎng)絡(luò)中的片層交界處形成共價鍵，從而增強電荷傳輸能力，并在不影響預圖案化層的情況下實現(xiàn)正交圖案化。3) 研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)光刻工藝相比，PROMPT 方法能夠顯著減少化學殘留，使二維材料網(wǎng)絡(luò)薄膜表面更加潔凈，從而構(gòu)建高質(zhì)量界面的垂直堆疊異質(zhì)結(jié)，展現(xiàn)出可忽略的遲滯效應及優(yōu)良的器件穩(wěn)定性。4) 研究進一步利用 PROMPT 方法制備了基于垂直集成二維材料網(wǎng)絡(luò)薄膜的晶體管（FET）陣列，器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電子遷移率（平均 μe = 20.3 cm2V?1s?1）和無遲滯特性。圖文解讀
圖1:光圖案化的2D垂直范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)圖2:2D滲濾網(wǎng)絡(luò)的化學和電學分析圖3:基于所有2D材料的場效應晶體管field-effect transistors，F(xiàn)ET電子特性總結(jié)展望
本研究展示了光敏交聯(lián)劑可用于對剝離的二維薄膜網(wǎng)絡(luò)進行圖案化，而不會影響預先圖案化的底層薄膜網(wǎng)絡(luò)。光敏交聯(lián)劑在范德華界面納米片之間提供額外的共價鍵，從而改善納米片間界面的電荷傳輸性能。研究者采用這種方法（稱為 PROMPT）在晶圓尺度上制備了全光圖案化的場效應晶體管（FET）陣列，其中以溶液法加工的半導體 MoS? 作為溝道層、絕緣 HfO?（由 HfS? 氧化得到）作為介電層、導電石墨烯作為電極。基于溶液法加工的二維 MoS? 薄膜網(wǎng)絡(luò)的 FET 具有 20.3 cm2/V·s 的場效應遷移率，并在環(huán)境條件下未封裝的情況下保持超過 60 天的長期器件穩(wěn)定性。此外，晶圓級 FET 陣列表現(xiàn)出高度的空間均勻性，并成功用于構(gòu)建 NOT、NAND 和 NOR 等邏輯門。研究者的方法為基于范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)集成的大規(guī)模高性能電子器件的制造提供了一條有前景的途徑。Kwak, I.C., Kim, J., Moon, J.W. et al. Orthogonal photopatterning of two-dimensional percolated network films for wafer-scale heterostructures. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01351-z
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