无稳定剂低溶剂浪费的二维材料剥离技术及其在印刷忆阻器中的应用研究

研究人员针对传统二维材料剥离方法存在稳定剂依赖、溶剂浪费严重等问题，开发了基于高压均质化(HPH)的新型剥离技术。该技术可在异丙醇(IPA)中实现无稳定剂剥离，产率高达20%，溶剂浪费减少90%，碳足迹降低98%。HPH剥离的MoS2制备的喷墨印刷忆阻器表现出更优异的性能和一致性，为可持续生产印刷电子器件提供了新方案。

　　

在二维材料研究领域，液相剥离(LPE)技术因其低成本和大规模生产潜力备受关注。然而传统方法面临严峻挑战：依赖有毒溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)或表面活性剂，导致高达97%的溶剂浪费；超声剥离效率低下，产率仅1.2%；稳定剂残留影响材料性能，而后续去除步骤又增加能耗和复杂度。这些问题严重制约了二维材料在印刷电子等领域的实际应用。

为解决这些瓶颈问题，剑桥大学Tawfique Hasan团队在《Cell Reports Physical Science》发表创新研究，开发了高压均质化(HPH)剥离技术。该技术通过优化微流道设计(87μm)，在1500bar压力下产生高强度剪切力、湍流和空化效应，实现了多种二维材料在生物相容性溶剂异丙醇(IPA)中的高效剥离。

研究采用紫外-可见光谱(UV-vis)定量分析浓度，原子力显微镜(AFM)表征纳米片尺寸分布，拉曼光谱和X射线衍射(XRD)验证晶体结构完整性。通过生命周期评估(LCA)比较环境效益，并制备喷墨印刷忆阻器评估器件性能。

研究结果显示，HPH技术对MoS₂的剥离产率达20%，是传统LPE的10倍以上，同时溶剂浪费减少90%。AFM统计表明HPH剥离的MoS₂纳米片平均厚度约3nm(4-5层)，横向尺寸分布(53±22nm)比LPE样品更均匀。拉曼光谱证实材料晶体结构保持完好，X射线光电子能谱(XPS)显示硫空位缺陷的适度引入。

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器件性能测试表明，HPH-MoS₂忆阻器开关电压集中在±1V，变异系数仅0.22，显著优于LPE器件的0.44。这种稳定性提升归因于HPH产生的纳米片尺寸均一性和可控硫空位密度，促进了导电通道的均匀形成。研究还成功将该技术拓展至MoSe₂、h-BN、In₂Se₃和Bi₂Te₃等多种材料，验证了方法的普适性。

生命周期评估显示，每克产品的碳排放比LPE降低98.4%，凸显了HPH的环保优势。研究人员还开发了沉淀物回收工艺，通过二次处理使总产率提升至30%，进一步提高了原料利用率。

该研究突破了二维材料绿色制造的瓶颈，建立的HPH技术具有三大创新：(1)首次实现无稳定剂条件下多种二维材料在温和溶剂中的高效剥离；(2)通过微流道设计实现剪切力的全域均匀分布，解决了传统方法能量局域化的问题；(3)将材料制备与印刷电子器件性能直接关联，证明了纳米片均一性对忆阻器可靠性的关键影响。这项工作为二维材料的可持续量产提供了新范式，对推动印刷电子、柔性器件和神经形态计算的发展具有重要意义。