Electrónica de gran área procesable en solución a partir de tinta de nanohojas 2D MoS2. Crédito:Duan Lab @UCLA Departamento de Química y Bioquímica
Investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), la Universidad de Texas en Austin, y la Universidad de Hunan (China) han ideado recientemente un nuevo método de preparación altamente uniforme, procesable por solución, nanohojas semiconductoras de fase pura. Su enfoque esbozado en un artículo publicado en Naturaleza , implica la intercalación electroquímica de moléculas de amonio cuaternario en cristales 2-D, seguido de un suave proceso de sonicación y exfoliación.
Los materiales bidimensionales (2-D) consisten en capas de cristal atómicamente delgadas unidas por la fuerza de van der Waals. Recientemente, la popularidad de estos materiales ha ido en aumento, principalmente debido a sus muchas aplicaciones potenciales en electrónica, optoelectrónica y catálisis.
Esto es especialmente cierto para las nanohojas de semiconductores 2-D procesables en solución, como MoS 2 , que muestran un potencial particular para el desarrollo de componentes electrónicos de película delgada de gran superficie. En comparación con las nanoestructuras convencionales de dimensión cero y unidimensionales, que generalmente están restringidos por enlaces colgantes de la superficie y estados de atrapamiento asociados en los límites de los granos, Las nanohojas 2-D tienen superficies libres de enlaces colgantes, dando como resultado una interfaz limpia dentro de una película delgada y, por lo tanto, un excelente transporte de carga.
A pesar de sus posibles beneficios, La preparación de nanohojas de semiconductores 2-D procesables en solución de alta calidad conlleva una serie de desafíos. Por ejemplo, MoS 2 nanohojas y películas delgadas creadas mediante la intercalación y exfoliación de litio se ven afectadas negativamente por la presencia de la fase metálica 1T, y por lo tanto muestran un rendimiento eléctrico deficiente.
"En el proceso de intercalación de litio (Li) convencional, la inserción de cada Li + ion implica la inyección de un electrón en los cristales del huésped, "Prof. Xiangfeng Duan, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore. "La intercalación de una gran cantidad de Li + conduce a una inyección masiva de electrones en el MoS 2 cristal (1 e por unidad de fórmula en LiMoS 2 ) que induce la transición de fase semiconductora no deseada 2H a 1T metálica ".
Estudios anteriores sugieren que esta transición de fase desfavorable solo ocurre cuando la inyección de electrones excede un cierto umbral, el de 0,29 e por MoS 2 unidad de fórmula. Con base en estos hallazgos, Duan y sus colegas idearon un nuevo enfoque para preparar nanohojas 2-D de semiconductores, en el que las inyecciones de electrones se manipulan químicamente para que estén por debajo de este umbral observado.
"Se nos ocurrió la idea de reducir la inyección de electrones en los cristales 2-D de alojamiento y evitar la transición de fase no deseada reemplazando el pequeño Li + (d ≈ 2 Å) con cationes más grandes, como el amonio cuaternario (d ≈ 20 Å para THAB) ", explicó el profesor Duan." El tamaño voluminoso de las moléculas de amonio cuaternario limita naturalmente la cantidad de moléculas que pueden caber en el cristal de alojamiento y, por lo tanto, la cantidad de electrones inyectados, lo que evita la transición de fase no deseada a la fase 1T metálica ".
En su estudio, los investigadores prepararon con éxito altamente uniformes, procesable por solución, nanohojas semiconductoras de fase pura, con la intercalación electroquímica de moléculas de amonio cuaternario en cristales 2-D, seguido de un suave proceso de sonicación y exfoliación en disolvente. Colocaron un trozo delgado de MoS cortado 2 cristal y una varilla de grafito en una celda electroquímica, actuando como cátodo y ánodo, respectivamente. Un bromuro de amonio cuaternario (es decir, THAB, TBAB, etc.) se utilizó una solución en acetonitrilo como electrolito. Sucesivamente, El baño de los investigadores sonicó el material intercalado en una solución de PVP / DMF para lograr una dispersión de MoS semiconductor. 2 nanohojas.
"La ventaja única de este proceso es la conservación exitosa de la fase 2H semiconductora preferida de MoS 2 , que anteriormente se consideró un desafío utilizando procesos convencionales de intercalación y exfoliación de Li, "Dijo el profesor Duan." La intercalación con grandes moléculas de alquilamonio cuaternario (es decir, THAB) ofrece un enfoque suave para expandir en gran medida el MoS 2 celosía para la exfoliación fácil sin inyectar electrones excesivos en el MoS 2 capas, que evita la transición de fase no deseada a 1T-MoS 2 (en comparación con la intercalación y exfoliación de Li) ".
Este nuevo proceso de exfoliación en fase líquida propuesto por el profesor Duan y sus colegas se puede aplicar generalmente a una amplia gama de cristales 2-D (incluido MoS 2 , WSe 2 , En 2 Se 3 , fósforo negro, etc.) con propiedades electrónicas y optoelectrónicas bien conservadas. Esto podría ayudar a superar algunos de los desafíos que plantea la producción de nanohojas de semiconductores 2-D procesables en solución.
"El hallazgo más interesante de nuestro estudio es el desarrollo de un enfoque basado en soluciones escalables y de bajo costo para fabricar productos de alto rendimiento, transistores de película fina flexibles (TFT) y circuitos electrónicos basados en tinta semiconductora 2-D, ", Dijo el profesor Duan." Las nanohojas 2-D atómicamente delgadas e intrínsecamente flexibles representan atractivos bloques de construcción para la electrónica flexible / portátil, similar a trozos de papel que se pueden doblar fácilmente, doblado y aplanado ".
Los TFT que los investigadores produjeron usando su MoS 2 La tinta de nanohoja 2-D mostró un rendimiento del dispositivo muy mejorado en comparación con el MoS procesado con solución existente 2 TFT, con un aumento de al menos un orden de magnitud en la movilidad del portador y un aumento de tres a cuatro órdenes de magnitud en la relación de conmutación. Su nuevo enfoque es fácilmente escalable con un alto rendimiento, habilitando puertas lógicas complejas y circuitos computacionales que hasta ahora eran inalcanzables con otras tintas 2-D.
"El proceso de fabricación en fase de solución de circuitos y TFT flexibles es intrínsecamente escalable y rentable y se puede realizar fácilmente a gran escala (> metro 2 ) cuando se combina con el enfoque de impresión y las producciones industriales de rollo a rollo, "Explicó el profesor Duan." Los TFT son los bloques de construcción fundamentales para muchas aplicaciones electrónicas de gran área, incluido el conocido TFT-LCD, una pantalla de cristal líquido que utiliza tecnología TFT para mejorar las cualidades de la imagen, como la direccionabilidad y el contraste ".
En el futuro, el nuevo enfoque ideado por el profesor Duan y sus colegas podría ayudar a crear nanohojas semiconductoras bidimensionales de mayor calidad, con muchas aplicaciones interesantes. Por ejemplo, el uso de MoS 2 La tinta de nanohojas 2-D podría reducir drásticamente los costos de fabricación de pantallas flexibles en los televisores de próxima generación, monitores, Los telefonos, lectores electrónicos, e identificación por radiofrecuencia (RFID) u otros dispositivos electrónicos portátiles.
"Ahora planeamos extender nuestro enfoque a otros cristales en capas similares con propiedades electrónicas aún mejores, y también para mejorar aún más los procesos de integración del dispositivo y, por lo tanto, el rendimiento del dispositivo, "Dijo el profesor Duan." Al mismo tiempo, estamos explorando nuevos enfoques de impresión con estas tintas recién formuladas para la producción escalable y más barata de TFT ".
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