在電子器件制造領域，使用低成本、大規模的液相化學合成方法來制備高性能半導體薄膜材料是一個有趣的研究方向。該類液相方法，相比于廣泛研究的高溫氣相化學氣相沉積（CVD）法，在成本控制、制備溫度、基底普適性等方面具有一定的優勢，因此受到了廣泛的研究關注。近日，清華大學化學系林朝陽課題組（文末附博后招聘信息）優化了基于溶液的電化學分子插層剝離方法，制備了可穩定分散的、高質量單層InSe（硒化亞銦）二維納米片膠體分散液，并使用液相法沉積了4英寸厚度均勻、結構致密的InSe薄膜。基于該液相法制備的InSe薄膜，在場效應晶體管中表現出了較好的電學特性（載流子遷移率達90~120 cm2·V-1·s-1，電流開關比~107），相比于以往其他液相法制備的各類二維半導體薄膜，載流子遷移率有大幅度的提升。并且該數值已經接近于高溫氣相CVD法生長的晶圓級MoS2的最佳電學性能，這為相關領域未來的研究提供了一種新的研究思路。該研究工作以“Solution-processed wafer-scale indium selenide semiconductor thin film with high mobilities”為題發表在期刊《Nature Electronics》上。清華大學化學系博士后何靜為該工作第一作者，林朝陽副教授為通訊作者。
相比于被廣泛研究的MoS2晶體，二維InSe晶體被認為具有更高的的本征遷移率（300–1000 cm2·V-1·s-1）。然而，InSe的化學穩定性較低，特別是在單層或少層晶體形式下，對于空氣和溶劑中的水和氧氣較為敏感。因此高質量InSe薄膜的CVD和液相化學合成是領域內一個重要問題。為解決這一技術難點，清華大學化學系林朝陽團隊在電化學有機分子插層和液相剝離工藝中，優化全加工過程中的無水無氧操作，成功制備了結構完整的高純度InSe單層納米片膠體溶液（單層率>98%）。使用膠體溶液作為墨水材料，可以在4英寸晶圓上旋涂制備高質量的致密薄膜，且薄膜材料均勻、厚度可調。進一步地，加工的InSe薄膜晶體管表現出的電子遷移率達到90–120 cm2·V-1·s-1，電流開關比約10?。更重要的是，通過表面修飾和基底鈍化處理，晶體管電流的滯后效應較小。此外，通過氧化物封裝，制備的InSe晶體管在空氣中可以穩定存放三個月，并且在很大程度上保持原始的電學性能。
圖1. 水分對液相法合成InSe納米片晶體質量的影響機制。
圖2. 使用溶液法沉積制備的高質量晶圓級InSe薄膜。
圖3. 液相法制備InSe薄膜的半導體電學性能。
圖4. 配體化學調控對電學性能的影響。
圖5. InSe晶體管器件的運行穩定性。
研究意義與展望
該研究證明，相比于傳統的高溫氣相CVD方法，溶液法也有望可以制備高質量的2D半導體晶體薄膜，并在晶體管器件中實現相仿的電學性能指標。與此同時，液相加工法所具備的獨特優點，包括低成本、低加工溫度、更好的基底兼容性、以及可大面積連續薄膜沉積等，在未來進一步的研究中具有廣泛前景。
論文信息
題目：Solution-processed wafer-scale indium selenide semiconductor thin films with high mobilities
期刊：《Nature Electronics》
通訊作者：清華大學林朝陽副教授
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01338-w
【課題組博士后招聘信息】
林朝陽課題組招聘博士后研究人員2-3名！
研究方向包括，但不限于低維納米晶體的化學合成方法，大面積薄膜的液相組裝策略，微納電子器件的加工和測試等，待遇參見清華大學博士后管理辦法。歡迎廣大師生推薦及自薦優秀博士人選！有意者請郵件聯系：zlin@mail.tsinghua.edu.cn
課題組導師簡介：林朝陽，清華大學化學系副教授，博士生導師。2011年本科畢業于中國科學技術大學化學系，師從俞書宏院士。2016年博士畢業于美國加州大學洛杉磯分校化學系（UCLA），導師為全球頂尖化學家/材料科學家段鑲鋒和黃昱教授。課題組的主要研究方向包括，無機功能納米材料的液相化學合成，低維納米材料的薄膜組裝，以及其在柔性固態半導體電子器件等領域內的應用，嘗試探索低維納米材料在多個領域中的大規模、低成本的應用前景。近年來在相關領域內的學術期刊上發表論文超過70篇，累計引用數>16,000次。
課題組鏈接：https://www.chem.tsinghua.edu.cn/info/1095/2759.htm
