溶液法制备高纯度InSe单层纳米片墨水并进行厚度均匀InSe薄膜的可控液相组装

momo

https://doi.org/10.1038/s41928-025-01338-w



相比于被广泛研究的MoS2晶体，二维InSe晶体被认为具有更高的的本征迁移率（300–1000 cm2·V-1·s-1）。然而，InSe的化学稳定性较低，特别是在单层或少层晶体形式下，对于空气和溶剂中的水和氧气较为敏感。因此高质量InSe薄膜的CVD和液相化学合成是领域内一个重要问题。为解决这一技术难点，清华大学化学系林朝阳团队在电化学有机分子插层和液相剥离工艺中，优化全加工过程中的无水无氧操作，成功制备了结构完整的高纯度InSe单层纳米片胶体溶液（单层率>98%）。使用胶体溶液作为墨水材料，可以在4英寸晶圆上旋涂制备高质量的致密薄膜，且薄膜材料均匀、厚度可调。进一步地，加工的InSe薄膜晶体管表现出的电子迁移率达到90–120 cm2·V-1·s-1，电流开关比约10⁷。更重要的是，通过表面修饰和基底钝化处理，晶体管电流的滞后效应较小。此外，通过氧化物封装，制备的InSe晶体管在空气中可以稳定存放三个月，并且在很大程度上保持原始的电学性能。


相比传统的CVD方法，液相制备法因其加工温度和成本较低以及兼容大面积加工的特点而备受关注。然而，受限于沉积薄膜的质量（平整度，致密度，有机杂质等），溶液法制备的2D半导体薄膜电子器件性能目前仍然有待提高，比如载流子迁移率一般显著低于CVD法生长的薄膜。研究团队采用电化学有机分子插层剥离策略，在无水无氧环境中获得了晶体结构完整的InSe单层纳米片墨水（单层纯度>98%）。研究人员进一步优化了电化学插层剥离参数，如电解液浓度、插层时间和超声处理条件等，获得了厚度均匀且可长时间稳定分散的的二维纳米片胶体分散液。此外，通过去除环境和溶剂的水分和氧气，有效抑制了敏感材料在制备过程中可能出现的氧化问题，从而制备的InSe单层纳米片较好地保持了晶格的完整性和本征的半导体特性。该工作系统研究了微量氧气和水分对实验过程、产物形貌、晶体结构等方面的影响。


研究人员利用旋涂工艺，在4英寸的SiO2/Si基底可以稳定地制备高质量的均匀InSe薄膜，并通过优化旋涂参数（如旋涂速度、溶液浓度、涂覆次数），可以精确地调控薄膜的厚度。比如，通过单次墨水旋涂，可以控制仅在基底上沉积单层InSe纳米片。因此经过n次旋涂后即可获得厚度为n层的InSe薄膜。随后，经过低温退火处理（200 °C）去除界面有机分子，即可恢复得到纯净的无机InSe晶体薄膜。通过细致的电镜和其他结构表征，可以确认组装的薄膜结构致密，内部没有明显的空隙和缺陷。并且InSe单层晶体基元之间形成了高质量的范德华“面-面”堆积，层间距约为0.8 nm，这些特征类似于本征单晶的内部结构。


基于液相法制备的InSe薄膜，并系统研究表面配体的离子交换，薄膜化学后处理工艺等，加工的场效应晶体管展现出优异的电学性能：电子迁移率约 90–120 cm2·V-1·s-1，优于此前其他CVD法或者液相法制备的InSe薄膜性能；晶体管电流开关比约 10⁷；通过表面功能化策略（SAM单分子层修饰），显著减少界面陷阱态，实现了显著更小的电流滞回，提升器件可靠性。


此外，InSe薄膜晶体管在连续开关2000次测试中，可以稳定地保持一致的开态和关态电流，并且在压力测试下也表现出较好的器件稳定性。进一步地，通过对InSe薄膜晶体管器件进行了氧化物封装保护，可以大幅提高材料和器件的空气稳定性。经过测试，封装后的晶体管器件在空气中稳定存放3个月后，载流子迁移率和开关比均仅有少量衰减，这为接下来的相关研究提供了一个稳定的基础。