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清华大学，Nature Electronics！

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-07 09:32

正文

文末有博士后招聘信息

在电子器件制造领域，使用低成本、大规模的液相化学合成方法来制备高性能半导体薄膜材料是一个有趣的研究方向。该类液相方法，相比于广泛研究的高温气相化学气相沉积（CVD）法，在成本控制、制备温度、基底普适性等方面具有一定的优势，因此受到了广泛的研究关注。近日， 清华大学化学系林朝阳课题 组优化了基于溶液的电化学分子插层剥离方法，制备了可稳定分散的、高质量单层 InSe （硒化亚铟）二维纳米片胶体分散液，并使用液相法沉积了 4 英寸厚度均匀、结构致密的 InSe 薄膜。基于该液相法制备的 InSe 薄膜，在场效应晶体管中表现出了较好的电学特性（载流子迁移率达 90~120 cm²·V ^-1 ·s ^-1 ，电流开关比 ~10 ⁷ ），相比于以往其他液相法制备的各类二维半导体薄膜，载流子迁移率有大幅度的提升。并且该数值已经接近于高温气相 CVD 法生长的晶圆级 MoS ₂ 的最佳电学性能，这为相关领域未来的研究提供了一种新的研究思路。该研究工作以 “ Solution-processed wafer-scale indium selenide semiconductor thin film with high mobilities ” 为题发表在期刊《 Nature Electronics 》上。清华大学化学系博士后何静为该工作第一作者，林朝阳副教授为通讯作者。

相比于被广泛研究的 MoS ₂ 晶体，二维 InSe 晶体被认为具有更高的的本征迁移率（ 300–1000 cm ² ·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 cm ² ·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。

【溶液法制备高纯度 InSe 单层纳米片墨水，克服材料氧化难题】

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，如图 1 所示。

图 1. 水分对液相法合成 InSe 纳米片晶体质量的影响机制。

【 4 英寸级高质量、厚度均匀 InSe 薄膜的可控液相组装】

研究人员利用旋涂工艺，在 4 英寸的 SiO ₂ /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。薄膜的结构表征如图 2 所示。

图 2. 使用溶液法沉积制备的高质量晶圆级 InSe 薄膜。

【高性能 InSe 薄膜晶体管，实现高载流子迁移率和器件稳定性】

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 cm ² ·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。数据如图 3 、 4 所示。

图 3. 液相法制备 InSe 薄膜的半导体电学性能。

图 4. 配体化学调控对电学性能的影响。

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，数据见图 5 。

图 5. InSe 晶体管器件的运行稳定性。

【研究意 义与展望】

该研究证明，相比于传统的高温气相 CVD 方法，溶液法也有望可以制备高质量的 2D 半导体晶体薄膜，并在晶体管器件中实现相仿的电学性能指标。与此同时，液相加工法所具备的独特优点，包括低成本、低加工温度、更好的基底兼容性、以及可大面积连续薄膜沉积等，在未来进一步的研究中具有广泛前景。

【课题组博士后招聘信息】

林朝阳课题组招聘博士后研究人员 2-3 名！

研究方向包括，但不限于低维纳米晶体的化学合成方法，大面积薄膜的液相组装策略，微纳电子器件的加工和测试等，待遇参见清华大学博士后管理办法。欢迎广大师生推荐及自荐优秀博士人选！有意者请邮件联系： [email protected]

课题组导师简介：林朝阳，清华大学化学系副教授，博士生导师。 2011 年本科毕业于中国科学技术大学化学系，师从俞书宏院士。 2016 年博士毕业于美国加州大学洛杉矶分校化学系（ UCLA ），导师为全球顶尖化学家 / 材料科学家段镶锋和黄昱教授。课题组的主要研究方向包括，无机功能纳米材料的液相化学合成，低维纳米材料的薄膜组装，以及其在柔性固态半导体电子器件等领域内的应用，尝试探索低维纳米材料在多个领域中的大规模、低成本的应用前景。近年来在相关领域内的学术期刊上发表论文超过 70 篇，累计引用数 >16,000 次。

课题组链接： https://www.chem.tsinghua.edu.cn/info/1095/2759.htm

论文信息

题目： Solution-processed wafer-scale indium selenide semiconductor thin films with high mobilities

期刊：《 Nature Electronics 》

通讯作者 ：清华大学林朝阳副教授

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-025-01338-w

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