范德華異質結，Nature Electronics！
米測MeLab
納米人
2025-03-07
研究背景
基于分子插層的電化學剝離技術可用于構建范德華異質結構。然而，垂直異質結構的大規模組裝通常需要依賴光刻及隨后的轉移過程，這些過程涉及各種化學溶劑，可能會殘留化學污染物并限制圖案化分辨率。為了解決這些問題，延世大學Jeong Ho Cho教授以及成均館大學Joohoon Kang團隊在“Nature Electronics”期刊上發表了題為“Orthogonal photopatterning of two-dimensional percolated network films for wafer-scale heterostructures”的最新論文。他們展示了一種基于光反應交聯劑的電化學剝離2D薄片的范德華異質結構圖案化制造方法。當含有交聯劑的2D范德華滲透網絡暴露于紫外光時，網絡連接處形成共價鍵，從而增強電荷傳輸，并可在不影響底層預圖案化層的情況下，實現垂直堆疊范德華薄膜網絡的正交圖案化。該方法可用于制造基于不同2D材料的晶圓級光圖案化場效應晶體管（FET）陣列。這些FET器件表現出高度的空間均勻性，并可用于構建邏輯門，包括NOT、NAND和NOR門。研究亮點
1) 實驗首次提出無光刻膠、正交多重圖案化薄膜（PROMPT）方法，并利用該方法制備了基于溶液處理二維（2D）材料的可擴展垂直范德華異質結，成功實現了高分辨率（最小5 μm）的二維材料圖案化。2) 實驗通過光交聯劑的紫外光（UV）照射誘導交聯作用，使二維材料網絡中的片層交界處形成共價鍵，從而增強電荷傳輸能力，并在不影響預圖案化層的情況下實現正交圖案化。3) 研究發現，與傳統光刻工藝相比，PROMPT 方法能夠顯著減少化學殘留，使二維材料網絡薄膜表面更加潔凈，從而構建高質量界面的垂直堆疊異質結，展現出可忽略的遲滯效應及優良的器件穩定性。4) 研究進一步利用 PROMPT 方法制備了基于垂直集成二維材料網絡薄膜的晶體管（FET）陣列，器件表現出優異的電子遷移率（平均 μe = 20.3 cm2V?1s?1）和無遲滯特性。圖文解讀
圖3:基于所有2D材料的場效應晶體管field-effect transistors，FET電子特性總結展望
本研究展示了光敏交聯劑可用于對剝離的二維薄膜網絡進行圖案化，而不會影響預先圖案化的底層薄膜網絡。光敏交聯劑在范德華界面納米片之間提供額外的共價鍵，從而改善納米片間界面的電荷傳輸性能。研究者采用這種方法（稱為 PROMPT）在晶圓尺度上制備了全光圖案化的場效應晶體管（FET）陣列，其中以溶液法加工的半導體 MoS? 作為溝道層、絕緣 HfO?（由 HfS? 氧化得到）作為介電層、導電石墨烯作為電極。基于溶液法加工的二維 MoS? 薄膜網絡的 FET 具有 20.3 cm2/V·s 的場效應遷移率，并在環境條件下未封裝的情況下保持超過 60 天的長期器件穩定性。此外，晶圓級 FET 陣列表現出高度的空間均勻性，并成功用于構建 NOT、NAND 和 NOR 等邏輯門。研究者的方法為基于范德華異質結構集成的大規模高性能電子器件的制造提供了一條有前景的途徑。Kwak, I.C., Kim, J., Moon, J.W. et al. Orthogonal photopatterning of two-dimensional percolated network films for wafer-scale heterostructures. Nat Electron (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01351-z
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