机械剥离二硫化钼纳米片网络的电学与形态学特性研究及其在印刷电子学中的应用前景

《Small Science》：The Electrical and Morphological Characteristics of Networks of Mechanically Exfoliated Nanosheets

本文系统研究了通过大规模并行机械剥离（MPME）技术制备的二硫化钼（MoS2）纳米片网络的形态学与电学特性。研究团队利用聚焦离子束-扫描电镜纳米断层扫描（FIB-SEM nt）技术首次三维重构了网络结构，发现其具有低孔隙率（11±2%）和高面内取向度。电学测试表明网络电导率经300°C退火后达到峰值11±0.6 S·m-1，载流子迁移率为0.8±0.1 cm2·V-1·s-1。通过电化学阻抗谱（EIS）首次量化了纳米片本征迁移率（7±2 cm2·V-1·s-1）与界面电阻（890±150 kΩ），揭示其性能限制机制。该工作为干法印刷电子器件优化提供了重要理论依据。

　　

机械剥离二硫化钼纳米片网络的电学与形态学特性研究

1 引言

自从通过机械剥离法制备出石墨烯单层以来，二维材料因其独特的性质成为研究热点。然而传统机械剥离法在产业化应用方面存在局限性，而液相剥离法因其成本低、可扩展性强成为制备纳米片的重要方法。近年来出现的干法卷对卷机械剥离技术——大规模并行机械剥离（MPME），为低成本器件生产提供了新途径。该方法通过粘性胶带滚筒实现纳米片的大规模剥离，避免了溶剂残留问题，但对其电学性能的理解仍待深入。

本研究聚焦于MPME法制备的二硫化钼（MoS₂）纳米片网络，通过三维成像技术揭示其微观结构特征，并结合电学测试手段系统分析其导电机制与性能限制因素。

2 结果与讨论

2.1 纳米片制备与表征

MPME工艺采用大小滚筒嵌套设计，通过Nitto SPV 224胶带实现MoS₂晶体的连续剥离。原子力显微镜（AFM）统计显示所得纳米片平均长度4.4±0.2 μm，厚度39±1 nm，长径比119±5。拉曼光谱证实纳米片为半导体性2H相，且缺陷密度低于0.05 nm^-2，表明材料质量较高。

2.2 网络形态学

通过六次转移制得的网络厚度达281±10 nm。扫描电镜（SEM）图像显示纳米片呈现高度定向排列。FIB-SEM nt三维重构表明网络孔隙率仅为11±2%，显著低于液相剥离（LPE）网络的40%-60%。纳米片网络曲折因子为1.09±0.03，接近理想值1，表明电荷传输路径顺畅。孔隙网络连通性达90%，但曲折因子高达6±1，形成狭缝状孔道结构。表面粗糙度分析显示均方根值S_q=59±2 nm，表面取向角平均仅1.7±0.1°，证明纳米片具有优异的面内排列特性。

2.3 网络电学性能

退火处理使网络电导率从初始0.98±0.07 S·m^-1提升至11.0±0.7 S·m^-1（300°C）。离子液体栅压测试显示n型半导体特性，开关比约100，网络迁移率0.8±0.1 cm²·V^-1·s^-1。通过多通道长度阻抗谱分析，测得接触电阻仅38±5 Ω，表明器件非接触限制型。

关键发现在于通过EIS技术首次量化了单纳米片-结（NS-J）单元的电阻特性：纳米片电阻R_NS=120±20 kΩ，结电阻R_J=890±150 kΩ，结电容C_J=35±5 fF。计算得纳米片本征迁移率7±2 cm²·V^-1·s^-1，显著低于薄层MoS₂的报道值，这主要归因于较厚的纳米片（39 nm）导致载流子散射增强。结电阻与纳米片电阻比值R_J/R_NS=7±2，表明网络性能受结电阻主导但未完全受限。

温度依赖性测试揭示导电机制为激活跳跃模型，激活能E_a=61.9±0.2 meV，与电化学剥离（EE）网络（28-96 meV）相当，远低于LPE网络（260-520 meV），证明MPME网络具有更优的界面传输特性。

3 结论

MPME法制备的MoS₂纳米片网络展现出独特的低孔隙率、高取向度结构特征。虽然当前迁移率水平（0.8 cm²·V^-1·s^-1）较低，但EIS分析指明通过降低纳米片厚度可同步提升本征迁移率和改善界面接触。该研究为干法印刷电子器件开发提供了重要的理论基础和优化方向。

4 实验方法

MPME过程采用双滚筒接触滚动20秒实现纳米片剥离。表征手段包括532 nm激光拉曼光谱、布鲁克Multimode 8原子力显微镜、Filmetrics Profilm3D光学轮廓仪等。电学测试使用金电极结构，阻抗分析采用Keysight E4990E仪器，低温测试通过液氮控温系统实现。所有数据分析均基于678个网络断层切片和170个表面区域的统计结果。