西北工业大学黄维院士团队综述:基于二维过渡金属硫族化合物的柔性电子器件

  • 106
  • A+

背景介绍


柔性电子是多学科高度交叉与融合的前沿研究方向与新兴学科。与传统的硅基刚性电子相比,柔性电子器件以其可折叠、可卷曲及可拉伸的特殊物理属性和轻质、便携、低能耗等特点,被认为是极具潜力引领未来信息时代变革的研究方向之一。当前,国内外科学家已经成功研制了系列柔性电子器件,如柔性传感器、柔性晶体管、柔性电容器、柔性存储器、及柔性能源器件。如何保证柔性器件满足在小曲率半径弯曲和大量重复变形条件下具有更好的性能稳定性和耐久性依然是科学家们关注的重点。因此,亟待研究面向柔性电子器件的新型功能材料。二维过渡金属硫族化合物(TMDs)是无机材料库中一类结构与性能独特的新材料体系,其结构上具有层状原子共价键和相邻阴离子原子层之间较弱的范德华力,不仅显示出新颖的电学特性,还具有优异的力学性能。该类材料可满足柔性器件对电子功能材料能带结构调控和低弯曲刚度的需求,因此被认为是柔性电子领域极具应用潜力的候选材料之一。    

成果简介


西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组与新加坡南洋理工大学刘政教授联合发表综述文章,论文探讨了基于二维TMDs材料构筑的柔性电子器件最新研究进展,总结并分析了该领域发展所面临的机遇与挑战,旨在为研制新型高性能二维柔性电子器件提供新思路。

图1 二维TMDs材料的性能及其在柔性电子器件上的应用

首先,作者介绍了二维TMDs的电学、力学及力电耦合性能,分析了二维材料晶体结构及尺寸与其能带结构等电学性能和力学性能的构效关系,总结了二维TMDs材料的力-电耦合性能,例如,应力应变下材料的能带调控特性及压电性能研究进展。其次,作者系统总结了以二维TMDs为主要沟道材料构筑的柔性晶体管相关研究,阐述了场效应晶体管、双极性晶体管、离子液体门控型晶体管的基本器件结构与工作原理,比较分析了二维硫化物、二维硒化物柔性晶体管的关键性能指标(器件尺寸、迁移率、开关比等)及其影响因素,并进一步概述了二维TMDs柔性反相器、存储器、振荡器的最新研究进展。再次,总结了近年来基于二维TMDs材料的柔性气体传感器、光电探测器及压力和应变传感器的相关研究进展。最后,作者深入分析了二维TMDs柔性电子器件未来发展与应用主要包含如下挑战:(1)高质量、大面积二维TMDs材料的可控生长;(2)柔性基底上二维材料高精度微加工与器件集成技术;(3)二维柔性器件的结构与性能失效机制。

图文解析


▲Figure 1 Structure and electronic properties of TMDs.

▲Figure 2 Papers model of TMDs.

▲Figure 3 Mechanical properties of TMDs.

▲ Figure 4 Interaction between electrical and mechanical properties.

▲ Figure 5 Schematic structures of field effect transistor.

▲ Figure 6 Flexible MoS2 TFTs array.

▲ Figure 7 Hybrid complementary inverter with MoS2 (n-type) and PHTBTz-C8 (p-type)

▲ Figure 8 TMDs based gas sensors. 

▲ Figure 9 TMDs based photodetector.

▲ Figure 10 h-BN/MoTe2/graphene/SnS2/h-BN photodetector.

▲ Figure 11 TMDs based mechanical sensors.

作者简介


黄 维:中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士、国际欧亚科学院院士、亚太地区工程组织联合会(FEIAP)主席。长期从事有机/塑料/印刷/柔性电子学等国际前沿学科研究,是中国有机电子学科和柔性电子学科的奠基人与开拓者。曾两次获得国家自然科学奖二等奖、四次获得高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学奖一等奖、六次获得江苏省科学技术奖一等奖和二等奖以及何梁何利基金“科学与技术进步奖”和中国电子学会自然科学奖一等奖等,成果曾经入围中国“高等学校十大科技进展”。以通讯或第一作者身份在Nature、Science等世界顶尖学术期刊发表研究论文900余篇,H因子150,国际同行引用逾95000次,是材料科学与化学领域全球高被引学者。

刘 政:新加坡南洋理工大学终身教授,目前致力于高质量新型二维材料可控合成及其在电子和催化相关领域的应用研究。迄今为止,刘政教授发表了200多篇论文,其中包括Nature 和Science 系列期刊20余篇,引用超过35000次,h-index为69,高引论文34篇。研究工作多次被著名媒体和期刊报道。近年来获得世界科技奖能源类提名(2012)、新加坡NRF fellowship(2013)、ICON-2DMAT Young Scientist Award(2018)、 新加坡 Young Scientist Award (2018)、Asia's Rising Scientists (2019)等多项荣誉与奖励,是材料科学领域全球高被引科学家。

王学文:西北工业大学教授、博导,柔性电子研究院副院长,主要研究领域为柔性电子智能传感器,探索柔性传感器在健康医疗、人机交互、环境监测等战略新兴领域的应用。主持国家重点研发计划课题、陕西省重点研发计划重点项目、宁波市自然基金重点项目等国家级和省部级项目多项,已在Nature Materials、Science Advances等学术期刊发表论文50余篇,他引4000余次。担任Nature Communication、Research等20多个期刊的审稿人,《材料导报》执行编委。

郑 璐:西北工业大学副教授。2015年获日本冈山大学博士学位(日本文部省全额奖学金)。2015-2018年先后在日本冈山大学和新加坡南洋理工大学担任特任助理教授和博士后研究员,主要研究方向是柔性纳米电子材料的制备、表征及其在极限条件下凝聚态行为研究。目前致力于新型柔性二维层状材料的制备,并探索二维材料在柔性传感电子器件上的应用。已在InfoMat、Physical Review B、J. Power Sources等物理类国际期刊及其他国际学术期刊发表研究论文20余篇。主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金项目各一项,参与国家重点研发计划、陕西省重点研发计划等项目多个。

文章信息


Lu Zheng, Xuewen Wang*, Hanjun Jiang, Manzhang Xu, Wei Huang& Zheng Liu*. Recent progress of flexible electronics by 2D transition metal dichalcogenides. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3779-z.


weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论: