高迁移率硒氧化铋薄膜的溶液辅助合成及其高性能柔性晶体管

来源：X一MOL资讯

高迁移率二维半导体因其独特的材料性能有望构筑后硅电子学器件。与典型的体相半导体相比，二维半导体的原子级厚度除了可有效抑制短沟道效应外，还兼具天然的优良柔性，这使其在柔性显示和集成电路等领域具有广阔的应用前景。目前，虽然大量的二维半导体材料体系相继被开发出来，但便捷的高迁移率二维半导体薄膜合成方法和相应的高性能柔性器件构筑手段依然缺乏，阻碍了它们的实际应用。例如，通过化学气相沉积或溶液法合成的过渡金属二硫化物（如MoS2）薄膜通常具有相对较低的迁移率（<10 cm2/Vs）。此外，在柔性衬底上加工高性能器件仍具挑战，原因在于柔性衬底表面粗糙，且难以承受器件加工工艺中的高温处理和有机溶剂，这使柔性器件的性能往往远低于硬质衬底上的器件。因此人们更倾向于直接在硬质衬底上加工器件，随后将器件无损转移到柔性衬底。

近年来，北京大学彭海琳教授一直致力于高迁移率二维材料（石墨烯、拓扑绝缘体、氧硫族半导体）的可控制备、物性与应用等方面的研究，并开发了全新二维半导体芯片材料(硒氧化铋，Bi2O2Se)，并构筑了高性能场效应晶体管和超快高敏红外光探测器等器件（Nature Nanotech., 2017, 12, 530; Nano Lett., 2017, 17, 3021; Adv. Mater., 2017, 29, 1704060; Nature Commun., 2018, 9, 3311; Science Adv., 2018, 4, eaat8355; Nano Lett., 2019, 9, 197; Nano Lett., 2019, 19, 2148; Adv. Mater., 2019, 31, 1901964）。最近，彭海琳课题组发展了一种简便、快速且可放量的高迁移率二维半导体Bi2O2Se柔性薄膜的溶液辅助制备方法。该方法利用金属硝酸盐易分解且容易溶解于乙二醇形成澄清溶液的性质，首先将前驱体Bi(NO3)3•5H2O/乙二醇溶液旋涂到云母衬底上，随后经简单的空气加热分解并结合硒化过程即可合成高质量的Bi2O2Se薄膜。该方法具有高度的调变可控性，可通过改变旋涂前驱体溶液的浓度或者旋胶的转速即可精确地控制Bi2O2Se薄膜的厚度到几个原子层，且表面形貌连续平整。相关的电学评估表明，所得Bi2O2Se薄膜具有室温霍尔迁移率高达~74 cm2/Vs，远高于目前已知的其他的二维半导体薄膜（如过渡金属硫属化合物）。

图1. Bi2O2Se薄膜的制备

此外，为了解决柔性衬底器件加工问题，作者利用云母衬底易于解理的特点，首先在云母衬底上构筑了Bi2O2Se顶栅晶体管器件，继而在热释放胶带的辅助下，将硬质云母衬底上的Bi2O2Se晶体管器件完好无损地转移到柔性聚氯乙烯（PVC）衬底上，并保持了优异的电学性能。其场效应迁移率>100 cm2/Vs，开关比大于105。进一步，作者研究了在不同曲率半径的柔性衬底上的Bi2O2Se晶体管电学行为。结果表明：在上千次弯折实验后，Bi2O2Se薄膜晶体管依然保持优异的开关性能，呈现出色的电学稳定性。由此可见，二维Bi2O2Se半导体薄膜兼具合成简单、迁移率高、稳定性好以及易于转移到柔性衬底上等优势，这使其有望用于下一代柔性电子学器件中。此外，溶液辅助合成方法特有的元素组成调变优势，为大量氧硫族半导体薄膜的合成、掺杂提供了有力的参考和借鉴。

图2. Bi2O2Se柔性晶体管的电学性能 

这一成果发表在Journal of the American Chemical Society 上。北京大学彭海琳教授和南开大学吴金雄特聘研究员为该工作的通讯作者，第一作者为北京大学博士研究生张聪聪，该工作的主要合作者还包括北京大学的高鹏研究员。该工作得到了来自国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。 

原文:High-mobility flexible oxyselenide thin-film transistors prepared by solution-assisted method

Congcong Zhang, Jinxiong Wu*, Yuanwei Sun, Congwei Tan, Tianran Li, Teng Tu, Yichi Zhang, Yan Liang, Xuehan Zhou, Peng Gao, Hailin Peng*

J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 2726-2731. DOI: 10.1021/jacs.9b11668

PI简介

彭海琳教授

彭海琳，北京大学教授、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、中组部“万人计划”科技创新领军人才入选者。2005年获北京大学理学博士学位，2005-2009年在美国斯坦福大学从事博士后研究，2009年6月到北京大学化学与分子工程学院工作至今，2014年晋升为教授。

主要从事物理化学与新能源纳米技术研究。致力于解决高迁移率二维材料(石墨烯、拓扑绝缘体、金属氧硫族材料等)的可控批量制备与新型器件应用中的问题，实现了高品质石墨烯薄膜和石墨烯单晶晶圆的规模化制备及化学气相沉积批量制备装备研制，开发了超高迁移率二维硒氧化铋半导体芯片材料，建立和发展了拓扑绝缘体二维结构的可控生长方法，实现了首例拓扑绝缘体二维结构阵列的制备，首次观测到拓扑绝缘体的AB量子干涉效应，并开拓了拓扑绝缘体在柔性透明电极的应用，推动了二维材料制备科学与器件应用研究发展。在Science, Nature Materials, Nature Chemistry, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances等SCI刊物上发表论文近200篇，被引用逾12000次；获授权发明专利20余项。曾获2017年Small青年科学家创新奖、第二十届茅以升北京青年科技奖、国家自然科学奖二等奖、2018年教育部青年科学奖等荣誉。

https://www.x-mol.com/university/faculty/8679

吴金雄特聘研究员

吴金雄，南开大学材料科学与工程学院特聘研究员，博士生导师，课题组长。2008-2012年南开大学本科，2012-2017年北京大学理学博士（导师：彭海琳教授、刘忠范院士）。2017-2019年北京大学博士后，合作导师为彭海琳教授、张锦院士，入选国家“博新计划”，并获首批北京分子科学国家研究中心博士后（BMS fellow）出站特优资助。吴金雄博士擅长半导体薄膜的合成、表征、器件微纳加工及电磁输运测量。近年来，以第一作者或者通讯作者身份，在国际著名期刊Nature Nanotech., Sci. Adv., Nature Commun., JACS, Nano Lett., Adv. Mater.等上发表论文多篇，论文引用>700次。目前吴金雄博士依托南开大学稀土中心平台，致力于探索含层状稀土材料在内的新型低维材料在维度效应调控下，因其电子结构改变而产生的新奇的物理性质，并关注构筑高性能功能器件的界面问题。