《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(jī)械柔性光電子器件提供了可擴(kuò)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(jìn)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(jìn)一步剝離納米片。將高沸點(diǎn)溶劑松油醇加入MoS₂油墨中，對于實(shí)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(shí)。AJP之后，通過光子退火實(shí)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(bào)道的全印刷可見光光電探測器高出三個(gè)數(shù)量級。兆聲波剝離與精心設(shè)計(jì)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(jī)械柔性光電子器件的可擴(kuò)展增材制造提供了可能。

文獻(xiàn)介紹：

  由于二維材料獨(dú)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(shí)現(xiàn)二維納米片的可擴(kuò)展生產(chǎn)，液相剝離（LPE）已被廣泛研究，但通常與微機(jī)械剝離相比，其電子性能會(huì)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(jìn)行尺寸選擇。盡管單獨(dú)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(huì)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(diǎn)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(shí)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(huì)導(dǎo)致與化學(xué)氣相沉積（CVD）生長或機(jī)械剝離的同類產(chǎn)品相比，光電性能較差。

 本文報(bào)道了通過在柔性聚酰亞胺基板上使用氣溶膠噴射打印（AJP）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(shí)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(diǎn)溶劑松油醇的精心設(shè)計(jì)的AJP油墨配方對于實(shí)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(diǎn)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(bào)道的全印刷可見光光電探測器高出三個(gè)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(shí)。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(shí)?？臻g分辨光電流（SPCM）成像和變溫電荷傳輸測量進(jìn)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?？偟膩碚f，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(jī)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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