通过热收缩策略实现高度集成和高性能的二维WS（可能是某种特定技术或产品的缩写）打印方案 （Enabling Highly Integrated and High-Performance Printed 2D WS; Utilizing Thermal Shrinkage for 2D Printing）

《Journal of Alloys and Compounds》：Enabling Highly Integrated and High-Performance Printed 2D WS 2 Photodetectors via Thermal Shrinkage Strategy

二维过渡金属硫化物光探测器通过热收缩基底实现电极间距缩小和活性层致密化，提升光电转换性能。

　　这项研究围绕着二维过渡金属二硫属化物（TMDs）在光探测器中的应用展开。TMDs因其独特的光电性能而被认为是理想的光探测材料，这些性能包括原子级厚度、可调带隙以及强大的光-物质相互作用。然而，尽管TMDs在理论层面展现出巨大的潜力，其实际应用仍面临诸多挑战，尤其是在印刷型光探测器的制造过程中。目前，印刷型TMDs光探测器在性能上仍有待提升，主要障碍包括纳米片之间的连接不足和电极间距过大，这些问题会限制载流子的传输效率以及光电转换能力。

为了解决上述问题，研究人员提出了一种基于热收缩效应的综合收缩策略，利用预应力的聚苯乙烯（PS）基底实现印刷型WS?光探测器的整体致密化。该方法通过比较三种不同的设备结构——未收缩设备、仅电极收缩设备以及整体收缩设备——来验证其有效性。结果显示，整体收缩处理不仅将电极间距缩减至原始尺寸的25%，还促使WS?纳米片活性层发生致密化和褶皱现象，从而显著提升了界面接触质量和光吸收效率。这种处理方式同时优化了多个关键性能指标，如载流子传输路径的缩短、晶界散射和结势垒的减少，以及通过褶皱结构增强的光散射和光学路径延长。这些特性协同作用，显著提高了光收集、载流子分离和传输效率，最终实现了出色的光电性能，包括1.0 mA/W的响应率、2.0×10? Jones的特定探测率，以及在暗电流方面保持在pA级别。

此外，基于该策略构建的4×4微阵列光探测器不仅表现出良好的稳定性和性能一致性，还具备出色的成像能力，为高集成度光学传感系统的开发提供了创新性的解决方案。这一成果表明，通过材料和工艺的优化，可以有效克服印刷型TMDs光探测器在实际应用中的限制，推动其向更高效、更小型化的方向发展。

研究背景指出，光探测器作为将光学信号转换为电信号的关键组件，在环境监测、医学成像和通信等多个领域有着广泛的应用。近年来，二维TMDs材料因其优异的电子和光学特性成为开发下一代高性能光探测器的重要平台。然而，传统的印刷技术在制备TMDs基光探测器时仍然存在一些问题，如纳米片分散不均、孔隙率过高，这些都会导致导电路径不连续、光吸收效率低以及接触电阻高。同时，受限的印刷分辨率也会导致电极间距较大，从而影响光探测器的整体性能，使其远低于理论预期。

为了解决这些问题，研究人员在多个方面进行了探索和改进。例如，通过材料改性、结构设计和工艺优化，可以提升印刷型TMDs光电子器件的性能。目前，垂直层叠印刷法被广泛应用于这类器件的制造，这种方法能够形成致密的流动网络，从而有效提高薄膜的导电性和密度。在电极间距优化方面，研究者们开发了多种创新方法，如滴距管理、牺牲层印刷、溶剂蚀刻和金属层修饰等。例如，Tang等人通过优化喷墨印刷的滴距和基底润湿性，成功控制了墨水扩散行为，实现了更小的电极间距；Kim等人则结合牺牲层印刷和去润湿效应，降低了电极间距；Wang等人利用喷墨印刷的溶剂蚀刻技术，通过咖啡环效应在PMMA基底上形成微小通道；而Mondal等人则通过在半导体通道上印刷额外的金属层，缩短了载流子传输路径并减少了电极间距。尽管这些方法在一定程度上提高了性能，但它们仍然无法同时实现薄膜的致密化和通道的缩小。此外，由印刷形成的二维材料薄膜通常仍存在过高的孔隙率和不够致密的问题，而通道的缩小过程依然复杂，存在高成本和低效率的瓶颈。

鉴于此，研究团队引入了一种新的方法——利用具有热收缩特性的形状记忆聚合物（SMPs）基底，以期在解决上述问题的同时，实现更高效的器件制造。SMPs的热收缩特性使得其在特定温度下能够快速变形，从而提高制造分辨率。已有研究表明，收缩聚合物的褶皱结构可以显著增强传感器的灵敏度，而其双向收缩特性则为制造小型化器件提供了新的思路。例如，Dai等人利用可收缩基底的双向收缩特性和表面微褶皱结构，优化了有机场效应晶体管（OFETs）的尺寸缩减和电性能提升，这一突破为微电子器件的发展提供了新的策略。然而，值得注意的是，目前关于由双向热收缩诱导的致密化特性在光电应用中的研究仍然较为有限，且收缩器件的光电响应机制仍需进一步探索。

本研究中，研究人员采用了一种基于热收缩基底的综合收缩策略，用于制备高性能的WS?基光探测器。具体来说，他们通过喷墨印刷技术制备了银电极，并在聚苯乙烯基底上采用滴铸法形成了WS?纳米片分散层。通过对比未收缩、仅电极收缩和整体收缩三种结构的光探测器，研究人员发现，整体收缩处理不仅有效减少了电极间距，还实现了WS?纳米片的致密排列，同时诱导了其表面的褶皱结构。这种处理方式显著提升了界面接触质量，增强了光吸收效率，并通过褶皱结构优化了光捕获能力，从而提高了光子利用效率。

实验结果显示，优化后的光探测器在532 nm波长的光照下表现出优异的光电性能。具体而言，其光电流达到16.9 nA，响应率高达1.0 mA/W，特定探测率达到2.0×10? Jones，同时暗电流保持在pA级别，表现出良好的稳定性。这些数据表明，该策略在提升光探测器性能方面具有显著效果。此外，基于该方法构建的4×4微阵列光探测器不仅在性能上保持了一致性，还展现了出色的成像能力，为未来高集成度光学传感系统的开发提供了新的可能性。

本研究的意义在于，它不仅提供了一种有效的方法来解决印刷型TMDs光探测器中存在的关键问题，还为二维材料在光电子领域的应用开辟了新的方向。通过热收缩基底的综合应用，研究人员成功实现了纳米片的致密化和电极间距的优化，这些改进对提升光探测器的性能至关重要。同时，该策略还具备良好的可扩展性和兼容性，能够适用于多种基底材料和不同的光探测器设计，为未来的应用拓展提供了坚实的基础。

综上所述，本研究通过引入热收缩基底的综合收缩策略，显著提升了印刷型WS?光探测器的性能。这一方法不仅克服了传统印刷技术的局限性，还为二维材料在光电子领域的应用提供了新的思路。通过实验验证，该策略在减少电极间距、增强光吸收效率和提升载流子传输性能方面均表现出色，为开发高性能、高集成度的光学传感系统奠定了基础。此外，该研究还强调了在光探测器设计和制造过程中，对材料特性和工艺优化的综合考虑的重要性，为后续相关研究提供了有价值的参考。