《Advanced Material》：基于兆聲波剝離和光子燒結(jié)技術(shù)的全打印超高響應(yīng)度MoS2納米片光電探測器（IF=29.477）

背景：

  通過溶液加工油墨制備的二維印刷材料，為機械柔性光電子器件提供了可擴展且成本效益高的路徑。由于具有微米級控制和寬泛的加工范圍，氣溶膠噴射印刷（AJP）在全印刷電路和系統(tǒng)方面尤其引人注目。在這里，AJP被用于在柔性聚酰亞胺基板上制造由排列整齊的、相互滲透的MoS₂納米片和石墨烯電極構(gòu)成的高響應(yīng)性光電探測器。通過電化學(xué)嵌入，隨后在AJP過程中進行兆聲波霧化，可以獲得超?。s1.2納米厚）和高縱橫比（約1微米橫向尺寸）的MoS₂納米片，這不僅能夠?qū)⒂湍F化，還能夠進一步剝離納米片。將高沸點溶劑松油醇加入MoS₂油墨中，對于實現(xiàn)AJP后高度對齊和平坦的薄膜形態(tài)至關(guān)重要，這已通過掠入射廣角X射線散射和原子力顯微鏡得到證實。AJP之后，通過光子退火實現(xiàn)固化，產(chǎn)生準(zhǔn)歐姆接觸和光活性通道，其響應(yīng)性超過10³ AW^?1，比先前報道的全印刷可見光光電探測器高出三個數(shù)量級。兆聲波剝離與精心設(shè)計的AJP油墨配方相結(jié)合，使得超薄MoS₂納米片的卓越光電性能得以保留和利用，為機械柔性光電子器件的可擴展增材制造提供了可能。

文獻介紹：

  由于二維材料獨特的光電性能，它們成為可調(diào)諧、高性能光電器件的理想候選者，這些器件對于光學(xué)檢測和量子通信至關(guān)重要。為了實現(xiàn)二維納米片的可擴展生產(chǎn)，液相剝離（LPE）已被廣泛研究，但通常與微機械剝離相比，其電子性能會受到影響。在LPE中，塊體晶體被剝離成幾層納米片，通常在合適的溶劑或穩(wěn)定劑的存在下使用超聲波能量，然后通過離心進行尺寸選擇。盡管單獨的LPE納米片可能表現(xiàn)出高的光電質(zhì)量，但基于相互滲透納米片薄膜的器件通常會受到納米片之間大接觸電阻的影響。降低片間電阻的一種策略是優(yōu)化LPE過程，以獲得具有高縱橫比和大橫向尺寸的納米片，從而減少片間連接點的數(shù)量并增加滲透路徑的導(dǎo)電性。盡管在LPE之前使用電化學(xué)嵌入已經(jīng)獲得了高縱橫比、電子級的納米片，但這些嵌入衍生的二維材料在印刷光電子領(lǐng)域中的集成仍受到限制，這可能是由于在印刷和隨后的溶劑蒸發(fā)后難以實現(xiàn)排列整齊和平坦的滲透網(wǎng)絡(luò)。由此產(chǎn)生的印刷LPE納米片的無序滲透網(wǎng)絡(luò)形態(tài)會導(dǎo)致與化學(xué)氣相沉積（CVD）生長或機械剝離的同類產(chǎn)品相比，光電性能較差。

 本文報道了通過在柔性聚酰亞胺基板上使用氣溶膠噴射打?。ˋJP）技術(shù)打印貫穿的MoS₂納米片光活性網(wǎng)絡(luò)和石墨烯電極，制備出超高響應(yīng)度的光電探測器。為了產(chǎn)生氣溶膠化的油墨液滴，AJP使用了一種工作在兆赫茲頻率的兆聲波霧化器，這與常用于LPE超聲處理的千赫茲頻率相比更高。這種高頻兆聲波霧化狀態(tài)相較于超聲波而言，能夠?qū)崿F(xiàn)更可控、更局部化的空化，并且可以通過設(shè)定霧化功率來調(diào)節(jié)。因此，兆聲波剝離產(chǎn)生的MoS₂納米片厚度接近單納米尺度，同時保持微米尺度的較大橫向尺寸。由于這些高縱橫比的納米片在打印和隨后的溶劑蒸發(fā)過程中容易卷曲，因此基于高沸點溶劑松油醇的精心設(shè)計的AJP油墨配方對于實現(xiàn)排列整齊和平坦的貫穿網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。經(jīng)過光子燒結(jié)后，高導(dǎo)電性的MoS₂貫穿網(wǎng)絡(luò)形成與打印的石墨烯觸點之間的準(zhǔn)歐姆接觸，從而使光電探測器的響應(yīng)度超過10³ AW^?1，比先前報道的全印刷可見光光電探測器高出三個數(shù)量級以上。這種性能可歸因于兆聲波剝離，它產(chǎn)生了高縱橫比的納米片，其中包括大量的單層納米片，這已通過光學(xué)吸收、拉曼光譜和光致發(fā)光（PL）光譜得到了證實。通過氣溶膠噴射打?。ˋJP）后，層疊良好、相互連接的納米片形態(tài)得到了掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）和原子力顯微鏡（AFM）的證實。空間分辨光電流（SPCM）成像和變溫電荷傳輸測量進一步表明，光子退火改善了貫穿MoS₂光活性通道與石墨烯電極之間的電接觸。總的來說，這種增材制造方法使得從兆聲波剝離獲得的超薄、高縱橫比的MoS₂納米片的卓越光電性能得以應(yīng)用于全打印、機械靈活的光電探測器技術(shù)中。

引用：

https://doi.org/10.1002/adma.202203772.

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