范德华异质结，Nature Electronics！

纳米人 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2025-03-01 09:53

正文

研究背景

基于分子插层的电化学剥离技术可用于构建范德华异质结构。然而，垂直异质结构的大规模组装通常需要依赖光刻及随后的转移过程，这些过程涉及各种化学溶剂，可能会残留化学污染物并限制图案化分辨率。

为了解决这些问题， 延世大学Jeong Ho Cho教授以及成均馆大学Joohoon Kang团队 在“Nature Electronics”期刊上发表了题为“Orthogonal photopatterning of two-dimensional percolated network films for wafer-scale heterostructures”的最新论文。他们展示了一种基于光反应交联剂的电化学剥离2D薄片的范德华异质结构图案化制造方法。当含有交联剂的2D范德华渗透网络暴露于紫外光时，网络连接处形成共价键，从而增强电荷传输，并可在不影响底层预图案化层的情况下，实现垂直堆叠范德华薄膜网络的正交图案化。

该方法可用于制造基于不同2D材料的晶圆级光图案化场效应晶体管（FET）阵列。这些FET器件表现出高度的空间均匀性，并可用于构建逻辑门，包括NOT、NAND和NOR门。

研究亮点

1) 实验首次提出无光刻胶、正交多重图案化薄膜（PROMPT）方法，并利用该方法制备了基于溶液处理二维（2D）材料的可扩展垂直范德华异质结，成功实现了高分辨率（最小5 µm）的二维材料图案化。

2) 实验通过光交联剂的紫外光（UV）照射诱导交联作用，使二维材料网络中的片层交界处形成共价键，从而增强电荷传输能力，并在不影响预图案化层的情况下实现正交图案化。

3) 研究发现，与传统光刻工艺相比，PROMPT 方法能够显著减少化学残留，使二维材料网络薄膜表面更加洁净，从而构建高质量界面的垂直堆叠异质结，展现出可忽略的迟滞效应及优良的器件稳定性。

4) 研究进一步利用 PROMPT 方法制备了基于垂直集成二维材料网络薄膜的晶体管（FET）阵列，器件表现出优异的电子迁移率（平均 μe = 20.3 cm²V ⁻ ¹s ⁻ ¹）和无迟滞特性。

图文解读

图1:光图案化的2D垂直范德华异质结构

图2:2D渗滤网络的化学和电学分析

图3:基于所有2D材料的场效应晶体管field-effect transistors，FET电子特性

图 4：在各种逻辑电路中的应用

总结展望

本研究展示了光敏交联剂可用于对剥离的二维薄膜网络进行图案化，而不会影响预先图案化的底层薄膜网络。光敏交联剂在范德华界面纳米片之间提供额外的共价键，从而改善纳米片间界面的电荷传输性能。研究者采用这种方法（称为 PROMPT）在晶圆尺度上制备了全光图案化的场效应晶体管（FET）阵列，其中以溶液法加工的半导体 MoS ₂ 作为沟道层、绝缘 HfO ₂ （由 HfS ₂ 氧化得到）作为介电层、导电石墨烯作为电极。

基于溶液法加工的二维 MoS ₂ 薄膜网络的 FET 具有 20.3 cm²/V·s 的场效应迁移率，并在环境条件下未封装的情况下保持超过 60 天的长期器件稳定性。此外，晶圆级 FET 阵列表现出高度的空间均匀性，并成功用于构建 NOT、NAND 和 NOR 等逻辑门。研究者的方法为基于范德华异质结构集成的大规模高性能电子器件的制造提供了一条有前景的途径。

原文详情

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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