用于场效应晶体管和紫外光电探测器的二维宽带隙NbMoO?材料

《Journal of Materials Science & Technology》：Two-dimensional wide-bandgap NbMoO 6 for field-effect transistors and UV photodetectors

二维宽禁带氧化物NbMoO6纳米片通过固相烧结、质子交换及液相剥离法制备，介电常数达31.1，作为半导体单壁碳纳米管场效应晶体管栅介质时，器件在-5V电压下展现5×10^4高开关比。紫外光探测器在320nm处响应度210 A/W，检测度2.58×10^12 Jones，为多功能器件开发提供新材料。

　　本研究聚焦于一种新型的二维宽禁带氧化物材料——铌钼氧化物（NbMoO?，简称NMO），并探讨其在电子器件和光电器件中的应用潜力。NMO作为一种具有高介电常数和光电响应特性的材料，被设计用于场效应晶体管和紫外（UV）光探测器。通过一系列合成工艺，包括固相烧结、质子交换和液相剥离，成功制备了NMO纳米片，并对其物理化学性质进行了深入研究。该材料在低工作电压下展现出优异的性能，为未来低功耗电子器件的发展提供了新的思路。

二维材料近年来在科学和技术领域中受到了广泛关注，因其独特的物理和化学特性，被认为是下一代电子和光电子器件的重要候选材料。二维材料的种类繁多，从绝缘体到半导体再到超导体，它们在不同领域中展现出广阔的应用前景。其中，二维宽禁带氧化物因其在空气中的稳定性、对合成条件的低要求以及在紫外波段的强光吸收能力而备受瞩目。这些特性使得二维宽禁带氧化物在光电子器件中具有独特的应用价值，尤其是在紫外光探测方面。

在二维材料中，许多常见的材料如石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）和黑磷等，虽然在电子器件中得到了广泛应用，但它们在空气中的稳定性较差，且在特定波长下的光响应能力有限。相比之下，二维宽禁带氧化物则表现出更优异的稳定性，这主要归功于其结构中氧元素的参与和稳定的价态。此外，这类材料在合成过程中对环境的要求较低，可以在常温常压下进行制备，这为大规模生产和应用提供了便利。更重要的是，二维宽禁带氧化物通常具有较宽的禁带宽度，使其在紫外光波段具有较高的光响应能力，因此在紫外光探测领域展现出巨大的潜力。

近年来，二维宽禁带氧化物在多功能电子和光电子器件中的应用潜力得到了充分验证。特别是在二维氧化物介电材料的合成与应用方面，研究者们取得了显著进展，推动了相关领域的研究热潮。例如，一种基于二维氧化物的高介电常数（high-κ）材料已被成功制备，并在场效应晶体管中表现出优异的性能。此外，二维氧化物在光探测器中的应用也取得了突破，其高响应性和高探测能力为开发新型光电子器件提供了重要基础。

本研究中，我们选择了一种特定的二维宽禁带氧化物——NbMoO?（NMO），并探索其在电子器件和光电器件中的应用。NMO是一种具有三 rutile 晶体结构的无机宽禁带氧化物，因其独特的结构特征和良好的功能性能而受到关注。此前的研究表明，NMO及其衍生材料在催化反应中表现出优异的性能，例如在酯化反应和水合反应中具有高催化活性。这些研究揭示了NMO在催化性能上的重要性，同时也为理解其在光电子器件中的应用提供了理论支持。

此外，NMO在化学稳定性方面也表现出色。其结构在各种环境应力下，如热波动和湿气暴露，均能保持较高的稳定性，这使得NMO在实际应用中具有较强的适应性和可靠性。这种稳定性不仅有助于提高器件的使用寿命，还为在复杂环境中使用NMO提供了可能。在光电子应用方面，NMO的宽禁带特性使其能够有效吸收紫外光，这为开发高性能的紫外光探测器奠定了基础。

在本研究中，我们采用了一种多步骤的合成方法，包括固相烧结、质子交换和液相剥离，成功制备了NMO纳米片。通过一系列先进的表征技术，我们对NMO纳米片的形貌和结构进行了详细分析。结果表明，NMO纳米片具有超薄的厚度和高度的结晶性，这为其在电子器件中的应用提供了良好的物理基础。在场效应晶体管中，NMO纳米片作为栅极介电层，表现出较高的介电常数（31.1），使得该器件在低工作电压下（-5 V）实现了高达5×10?的开关比。这一性能指标在当前的电子器件中属于较高水平，表明NMO纳米片在低功耗电子器件中的应用前景广阔。

在光探测器方面，我们构建了一种基于NMO纳米片的单片光探测器，并在320 nm波长下测试了其性能。结果表明，该光探测器在3 V的工作电压下展现出较高的响应率（210 A/W）和探测能力（2.58×1012 Jones）。这一结果表明，NMO纳米片在紫外光探测方面具有显著的优势，尤其是在高灵敏度和高探测能力方面。此外，我们还探索了NMO纳米片薄膜在紫外图像传感中的应用潜力，进一步验证了其在光电子领域的广泛适用性。

本研究不仅为二维电子和光电子器件提供了一种新的候选材料，还为探索二维氧化物在多种应用中的潜力提供了一种可行的策略。通过系统的合成和表征，我们深入了解了NMO纳米片的物理化学特性，并在实际器件中验证了其优异的性能。这些发现为未来开发基于NMO的新型电子和光电子器件提供了重要的理论和实验依据。

在合成NMO纳米片的过程中，我们采用了一种三步法，包括固相烧结、质子交换和液相剥离。首先，我们按照精确的化学计量比称量了Li?CO?、Nb?O?和MoO?，并进行了充分的机械研磨以确保混合均匀。随后，将混合物转移至马弗炉中，在580°C下进行烧结处理，持续时间为24小时，并在烧结过程中进行一次中间研磨。烧结后的产物经过洗涤和干燥处理，为后续的质子交换和液相剥离步骤做好了准备。

质子交换步骤是合成NMO纳米片的关键环节之一。在这一过程中，我们利用酸性环境对烧结后的材料进行处理，使其发生质子交换反应，从而改变材料的表面性质和结构。这一过程不仅有助于提高材料的亲水性，还为后续的液相剥离提供了良好的条件。液相剥离则是通过物理方法将材料从块体中剥离成纳米片，这一过程需要在适当的溶剂中进行，以确保纳米片的高质量和均匀性。

通过上述合成步骤，我们成功获得了NMO纳米片，并对其形貌和结构进行了详细的分析。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，NMO纳米片具有规则的层状结构和较大的横向尺寸，这表明其在合成过程中保持了良好的层间分离效果。此外，X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等表征手段进一步验证了NMO纳米片的晶体结构和化学组成，为后续的性能测试提供了可靠的基础。

在性能测试方面，我们首先评估了NMO纳米片作为栅极介电层在场效应晶体管中的表现。实验结果表明，NMO纳米片具有较高的介电常数（31.1），这使得其在低电压下仍能有效地调控载流子的运动，从而实现高开关比（5×10?）的性能。这一结果表明，NMO纳米片在场效应晶体管中具有显著的优势，尤其是在低功耗和高效率方面。

在光探测器方面，我们构建了一种基于NMO纳米片的单片光探测器，并在320 nm波长下测试了其响应性能。结果表明，该光探测器在3 V的工作电压下展现出较高的响应率（210 A/W）和探测能力（2.58×1012 Jones）。这一性能指标在当前的光探测器中属于较高水平，表明NMO纳米片在紫外光探测方面具有显著的潜力。此外，我们还测试了NMO纳米片薄膜在紫外图像传感中的应用，发现其在图像传感中具有良好的响应性和稳定性，这为未来开发基于NMO的高性能紫外光探测器提供了重要的参考。

综上所述，本研究通过系统的合成和表征，成功制备了NMO纳米片，并验证了其在电子器件和光电器件中的优异性能。NMO纳米片不仅具有高介电常数和良好的空气稳定性，还表现出优异的光电响应能力，使其在低功耗电子器件和紫外光探测领域具有广阔的应用前景。这些发现不仅为二维电子和光电子器件提供了一种新的候选材料，也为探索二维氧化物在多种应用中的潜力提供了一种可行的策略。未来，随着对NMO纳米片的深入研究，其在更多领域的应用可能会进一步拓展，为相关技术的发展带来新的机遇。