《Advanced Material》：基于兆声波剥离和光子烧结技术的全打印超高响应度MoS2纳米片光电探测器（IF=29.477）

发布日期：2024-06-14浏览次数：558

背景：

通过溶液加工油墨制备的二维印刷材料，为机械柔性光电子器件提供了可扩展且成本效益高的路径。由于具有微米级控制和宽泛的加工范围，气溶胶喷射印刷（AJP）在全印刷电路和系统方面尤其引人注目。在这里，AJP被用于在柔性聚酰亚胺基板上制造由排列整齐的、相互渗透的MoS₂纳米片和石墨烯电极构成的高响应性光电探测器。通过电化学嵌入，随后在AJP过程中进行兆声波雾化，可以获得超薄（约1.2纳米厚）和高纵横比（约1微米横向尺寸）的MoS₂纳米片，这不仅能够将油墨雾化，还能够进一步剥离纳米片。将高沸点溶剂松油醇加入MoS₂油墨中，对于实现AJP后高度对齐和平坦的薄膜形态至关重要，这已通过掠入射广角X射线散射和原子力显微镜得到证实。AJP之后，通过光子退火实现固化，产生准欧姆接触和光活性通道，其响应性超过10³AW⁻¹，比先前报道的全印刷可见光光电探测器高出三个数量级。兆声波剥离与精心设计的AJP油墨配方相结合，使得超薄MoS₂纳米片的卓越光电性能得以保留和利用，为机械柔性光电子器件的可扩展增材制造提供了可能。

文献介绍：

由于二维材料独特的光电性能，它们成为可调谐、高性能光电器件的理想候选者，这些器件对于光学检测和量子通信至关重要。为了实现二维纳米片的可扩展生产，液相剥离（LPE）已被广泛研究，但通常与微机械剥离相比，其电子性能会受到影响。在LPE中，块体晶体被剥离成几层纳米片，通常在合适的溶剂或稳定剂的存在下使用超声波能量，然后通过离心进行尺寸选择。尽管单独的LPE纳米片可能表现出高的光电质量，但基于相互渗透纳米片薄膜的器件通常会受到纳米片之间大接触电阻的影响。降低片间电阻的一种策略是优化LPE过程，以获得具有高纵横比和大横向尺寸的纳米片，从而减少片间连接点的数量并增加渗透路径的导电性。尽管在LPE之前使用电化学嵌入已经获得了高纵横比、电子级的纳米片，但这些嵌入衍生的二维材料在印刷光电子领域中的集成仍受到限制，这可能是由于在印刷和随后的溶剂蒸发后难以实现排列整齐和平坦的渗透网络。由此产生的印刷LPE纳米片的无序渗透网络形态会导致与化学气相沉积（CVD）生长或机械剥离的同类产品相比，光电性能较差。

本文报道了通过在柔性聚酰亚胺基板上使用气溶胶喷射打印（AJP）技术打印贯穿的MoS₂纳米片光活性网络和石墨烯电极，制备出超高响应度的光电探测器。为了产生气溶胶化的油墨液滴，AJP使用了一种工作在兆赫兹频率的兆声波雾化器，这与常用于LPE超声处理的千赫兹频率相比更高。这种高频兆声波雾化状态相较于超声波而言，能够实现更可控、更局部化的空化，并且可以通过设定雾化功率来调节。因此，兆声波剥离产生的MoS₂纳米片厚度接近单纳米尺度，同时保持微米尺度的较大横向尺寸。由于这些高纵横比的纳米片在打印和随后的溶剂蒸发过程中容易卷曲，因此基于高沸点溶剂松油醇的精心设计的AJP油墨配方对于实现排列整齐和平坦的贯穿网络至关重要。经过光子烧结后，高导电性的MoS₂贯穿网络形成与打印的石墨烯触点之间的准欧姆接触，从而使光电探测器的响应度超过10³AW⁻¹，比先前报道的全印刷可见光光电探测器高出三个数量级以上。这种性能可归因于兆声波剥离，它产生了高纵横比的纳米片，其中包括大量的单层纳米片，这已通过光学吸收、拉曼光谱和光致发光（PL）光谱得到了证实。通过气溶胶喷射打印（AJP）后，层叠良好、相互连接的纳米片形态得到了掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和原子力显微镜（AFM）的证实。空间分辨光电流（SPCM）成像和变温电荷传输测量进一步表明，光子退火改善了贯穿MoS₂光活性通道与石墨烯电极之间的电接触。总的来说，这种增材制造方法使得从兆声波剥离获得的超薄、高纵横比的MoS₂纳米片的卓越光电性能得以应用于全打印、机械灵活的光电探测器技术中。