电化学剥离二维纳米片网络的电子特性与电路应用：高迁移率溶液加工电子器件的突破

本研究针对溶液加工电子器件中二维材料网络性能受限的关键问题，通过系统筛选28种低带隙二维材料，结合理论模拟与实验验证，首次揭示了晶体刚度各向异性（Ein/Eout>1.7）是实现高效电化学剥离和高纵横比纳米片的关键因素。研究发现，过渡金属硫族化合物及其合金纳米片的固有迁移率可达20–75 cm2 V?1 s?1，并通过阻抗谱证实结电阻与纳米片电阻比值（RJ/RNS）低至~3，为设计高性能溶液加工电路（如逆变器、数模转换器和ASCII编解码电路）提供了材料基础。该成果发表于《Nature Communications》，推动了柔性电子和通信系统的发展。

　　

在当今追求低成本、大规模电子制造的浪潮中，溶液加工技术因其兼容柔性基底（如纺织品、聚合物）而备受关注。二维半导体纳米片凭借其优异的电学性能和溶液可加工性，被视为理想候选材料。然而，传统的液相剥离法制备的纳米片纵横比低（AR<30），导致其组成的网络器件性能远低于预期——迁移率（μ_Net）仅约0.1 cm² V^?1 s^?1，开关比（I_on/I_off）不足10²。电化学剥离法虽能制备高纵横比纳米片，但材料筛选机制不明确，且多数二维材料网络的电学性能极限未知。

为攻克这一难题，研究团队系统筛选了五大类低带隙二维材料家族：过渡金属单硫族化合物（TMMs）、过渡金属二硫族化合物（TMDs）、过渡金属三硫族化合物（TMTs）、铋氧硫族化合物（BCT）及元素材料（如碲烯、黑磷）。通过密度泛函理论计算与实验相结合，发现晶体的面内/面外杨氏模量比（E_in/E_out>1.7）是电化学剥离成功的关键指标，此条件下纳米片纵横比可达100以上。

研究通过Langmuir-Schaefer沉积技术制备了22种纳米片网络，并系统表征其电学性能。阻抗谱分析显示，电化学剥离纳米片网络的结电阻（R_J）较液相剥离网络降低超1000倍，证实了高纵横比纳米片形成的共形结可显著降低界面电阻。太赫兹光谱测得纳米片本征迁移率（μ_NS）为20–80 cm² V^?1 s^?1，而网络迁移率（μ_Net）达1–13 cm² V^?1 s^?1，且满足关系式μ_NS/μ_Net ≈ R_J/R_NS + 1，表明通过优化结电阻可进一步提升器件性能。

在应用层面，团队利用WS₂和Mo_0.5W_0.5Se₂纳米片网络构建了固态场效应晶体管，并成功演示了4位数模转换器（DAC）和二进制幅移键控（BASK）电路。后者能够编码和解码7位ASCII信息（如“Dublin”），首次实现了溶液加工二维材料在通信系统中的功能验证。

关键实验方法

研究通过电化学剥离法（电解质为四丙基溴化铵）制备纳米片，结合原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）表征其尺寸与形貌；利用Langmuir-Schaefer技术沉积纳米片网络；通过电化学栅压测试和阻抗谱分析器件性能；采用太赫兹时域光谱（TRTS）测量本征迁移率；借助电子束光刻技术制备固态电路电极。

研究结果

1. 1.
   材料筛选与力学机制
   晶体刚度各向异性（E_in/E_out>1.7）是电化学剥离成功的决定性因素，且与层间结合能（E_b<40 meV ?^?2）协同作用，确保高纵横比纳米片的生成。
2. 2.
   纳米片网络电学性能
   TMDs家族（如WS₂、MoSe₂）网络导电性最优（σ_Net>10^?3 S/m），且器件展现n型、p型及双极性行为，开关比最高达10⁵。
3. 3.
   结电阻与迁移率关联
   阻抗谱证实R_J/R_NS比值范围为3.3–23，表明网络性能受结电阻主导，降低该比值可使μ_Net逼近μ_NS极限。
4. 4.
   功能性电路演示
   基于WS₂的DAC电路可重构模拟信号，而Mo_0.5W_0.5Se₂ BASK电路实现了数字通信编码，验证了溶液加工二维材料在复杂系统中的实用性。

结论与意义

本研究通过建立晶体力学性质与电化学剥离效果的关联，为高性能二维材料筛选提供了明确标准。所制备的纳米片网络在迁移率、开关比和应变不敏感性方面均优于传统溶液加工材料，并成功应用于数字-模拟混合电路系统。这一成果不仅拓宽了溶液加工电子器件的材料库，还为柔性电子、可穿戴设备和低功耗通信系统提供了新的技术路径。