p Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA), a Universidade do Texas em Austin, e a Hunan University (China) desenvolveram recentemente um novo método de preparação altamente uniforme, processável por solução, nanofolhas semicondutoras de fase pura. A abordagem deles, descrito em um artigo publicado em Natureza , envolve a intercalação eletroquímica de moléculas de amônio quaternárias em cristais 2-D, seguido por um leve processo de sonicação e esfoliação. p Os materiais bidimensionais (2-D) consistem em camadas de cristal atomicamente finas ligadas pela força de van der Waals. Recentemente, a popularidade desses materiais tem aumentado, principalmente devido às suas muitas aplicações potenciais em eletrônica, optoeletrônica e catálise.

p Isso é especialmente verdadeiro para nanofolhas semicondutoras 2-D processáveis ​​em solução, como MoS ₂ , que mostram potencial particular para o desenvolvimento de eletrônicos de película fina de grandes áreas. Em comparação com nanoestruturas convencionais de dimensão zero e unidimensional, que são normalmente restritos por ligações pendentes de superfície e estados de captura associados nos limites de grão, As nanofolhas 2-D têm superfícies livres de ligação pendentes, resultando em uma interface limpa dentro de uma película fina e, portanto, excelente transporte de carga.

p Apesar de seus benefícios potenciais, A preparação de nanofolhas semicondutoras 2-D processáveis ​​por solução de alta qualidade apresenta vários desafios. Por exemplo, MoS ₂ nanofolhas e filmes finos criados usando intercalação e esfoliação de lítio são afetados negativamente pela presença da fase metálica 1T, e, portanto, apresentam baixo desempenho elétrico.

p "No processo convencional de intercalação de lítio (Li), a inserção de cada Li ⁺ íon envolve a injeção de um elétron nos cristais hospedeiros, "Prof. Xiangfeng Duan, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse TechXplore. "A intercalação de um grande número de Li ⁺ leva a injeção massiva de elétrons no MoS ₂ cristal (1 e por unidade de fórmula em LiMoS ₂ ) que induz a transição de fase 2H semicondutora indesejada para 1T metálica. "

p Estudos anteriores sugerem que esta transição de fase desfavorável ocorre apenas quando a injeção de elétrons excede um certo limite, aquele de 0,29 e por MoS ₂ unidade da fórmula. Com base nessas descobertas, Duan e seus colegas desenvolveram uma nova abordagem para preparar nanofolhas semicondutoras 2-D, em que as injeções de elétrons são quimicamente manipuladas para ficar abaixo desse limite observado.

p "Tivemos a ideia de reduzir a injeção de elétrons nos cristais hospedeiros 2-D e evitar a transição de fase indesejada substituindo o pequeno Li ⁺ (d ≈ 2 Å) com cátions maiores, como amônio quaternário (d ≈ 20 Å para THAB) ", explicou o Prof. Duan." O tamanho volumoso das moléculas de amônio quaternário limita naturalmente o número de moléculas que podem caber no cristal hospedeiro e, portanto, o número de elétrons injetados, que evita a transição de fase indesejada para a fase metálica 1T. "

p Em seu estudo, os pesquisadores prepararam com sucesso altamente uniformes, processável por solução, nanofolhas semicondutoras de fase pura, com a intercalação eletroquímica de moléculas de amônio quaternárias em cristais 2-D, seguido por um suave processo de sonicação e esfoliação em solvente. Eles colocaram um pedaço fino de MoS clivado ₂ cristal e uma haste de grafite em uma célula eletroquímica, atuando como cátodo e ânodo, respectivamente. Um brometo de amônio quaternário (isto é, THAB, TBAB, etc.) solução em acetonitrila foi usada como o eletrólito. Sucessivamente, o banho dos pesquisadores sonicou o material intercalado em uma solução de PVP / DMF para obter uma dispersão de MoS semicondutor ₂ nanofolhas.

p "A vantagem única deste processo é a preservação bem-sucedida da fase 2H semicondutora preferida do MoS ₂ , que foi anteriormente considerado um desafio usando processos convencionais de intercalação e esfoliação de Li, "Prof. Duan disse." A intercalação com grandes moléculas de alquil amônio quaternárias (isto é, THAB) oferece uma abordagem suave para expandir muito o MoS ₂ rede para a esfoliação fácil sem injetar elétrons excessivos no MoS ₂ camadas, o que evita a transição de fase indesejada para 1T-MoS ₂ (em comparação com a intercalação e esfoliação de Li). "

p Este novo processo de esfoliação em fase líquida proposto pelo Prof. Duan e seus colegas pode ser geralmente aplicado a uma ampla gama de cristais 2-D (incluindo MoS ₂ , WSe ₂ , No ₂ Se ₃ , fósforo preto e assim por diante) com propriedades eletrônicas e optoeletrônicas bem preservadas. Isso pode ajudar a superar alguns dos desafios da produção de alta qualidade, nanofolhas semicondutoras 2-D processáveis ​​por solução.

p "A descoberta mais interessante de nosso estudo é o desenvolvimento de uma abordagem baseada em solução escalonável e de baixo custo para a fabricação de alto desempenho, transistores de filme fino flexíveis (TFTs) e circuitos eletrônicos baseados em tinta semicondutora 2-D, "Prof. Duan disse." As nanofolhas 2-D atomicamente finas e intrinsecamente flexíveis representam blocos de construção atraentes para eletrônicos flexíveis / vestíveis, semelhantes a pedaços de papel que podem ser facilmente dobrados, dobrado e achatado. "

p Os TFTs que os pesquisadores produziram usando seu MoS ₂ A tinta de nano folha 2-D mostrou desempenho do dispositivo muito melhorado em relação ao MoS processado por solução existente ₂ TFTs, com pelo menos um aumento de ordem de magnitude na mobilidade da portadora e um aumento de três a quatro ordens de magnitude na razão de comutação. Sua nova abordagem é facilmente escalonável com alto rendimento, permitindo portas lógicas complexas e circuitos computacionais que até agora eram inatingíveis com outras tintas 2-D.

p "O processo de fabricação em fase de solução de TFTs e circuitos flexíveis é intrinsecamente escalonável e econômico e pode ser facilmente transformado em grande escala (> m ² ) quando combinado com a abordagem de impressão e produções industriais rolo a rolo, "O Prof. Duan explicou." Os TFTs são os blocos de construção fundamentais para muitas aplicações eletrônicas de grandes áreas, incluindo o conhecido TFT-LCD, uma tela de cristal líquido que usa a tecnologia TFT para melhorar as qualidades de imagem, como endereçamento e contraste. "

p No futuro, a nova abordagem desenvolvida pelo Prof. Duan e seus colegas poderia ajudar a criar nanofolhas semicondutoras 2-D de qualidade ainda mais alta, com muitas aplicações interessantes. Por exemplo, o uso de MoS ₂ A tinta das nanofolhas 2-D pode reduzir drasticamente os custos de fabricação de monitores flexíveis nas TVs de próxima geração, monitores, telefones, leitores eletrônicos, e identificação por radiofrequência (RFIDs) ou outros aparelhos eletrônicos vestíveis.

p "Agora planejamos estender nossa abordagem a outros cristais em camadas semelhantes com propriedades eletrônicas ainda melhores, e também para melhorar ainda mais os processos de integração do dispositivo e, portanto, o desempenho do dispositivo, "Prof. Duan disse." Ao mesmo tempo, estamos explorando novas abordagens de impressão com essas tintas recém-formuladas para a produção escalonável e mais barata de TFTs. " p © 2018 Tech Xplore