低功耗設(shè)計(jì)是保障新一代信息器件與電子系統(tǒng)高效、可靠、長時(shí)運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，新型低功耗電子器件對人工智能、智能化醫(yī)療和物聯(lián)網(wǎng) (IoT)的發(fā)展至關(guān)重要。以MoS2為代表的二維過渡金屬硫化物由于具有優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能，是柔性傳感材料的理想選擇。然而，基于二維材料的柔性傳感器如何實(shí)現(xiàn)超低功耗下的微應(yīng)變檢測仍具有挑戰(zhàn)。近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士王學(xué)文教授課題組與南洋理工大學(xué)劉政教授合作，發(fā)現(xiàn)基于雙層樹枝狀MoS2材料的電子器件具有較低的接觸電阻。研究團(tuán)隊(duì)在深入研究載流子的傳輸機(jī)理之后，利用這種低接觸電阻特性，實(shí)現(xiàn)了柔性傳感器對微應(yīng)變在超低功耗條件下的精準(zhǔn)監(jiān)測。
近年來，二維過渡金屬二硫化物（2D TMDs）由于可調(diào)的非零帶隙被證明在受到外界刺激時(shí)具有可觀的電學(xué)性能變化。然而，由于金屬電極-半導(dǎo)體界面之間存在肖特基勢壘對載流子傳輸?shù)南拗疲瑐鞲衅骷男阅馨`敏度、檢測精度、循環(huán)穩(wěn)定性，特別是功耗方面受到很大的影響。研究團(tuán)隊(duì)提出了通過大面積邊緣接觸的方法降低金屬電極與二維MoS2之間接觸電阻從而實(shí)現(xiàn)超低功耗柔性傳感器的新方法。首先，研究團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算分析了金屬電極與半導(dǎo)體材料之間不同接觸方式（頂部接觸與邊緣接觸）的靜電勢分布。如紅色虛線所示，界面最高點(diǎn)與費(fèi)米能級之間的距離為隧道勢壘高度(?t)。通過比較發(fā)現(xiàn)頂部接觸的電勢高于費(fèi)米能級。模擬的結(jié)果證實(shí)了頂部接觸的界面勢壘高于邊緣接觸。
圖1. (A) 傳統(tǒng)的vdWs 頂部接觸電學(xué)器件示意圖；(B)頂部接觸與邊緣接觸組合的器件示意圖；(C 和 D) 為 (A) 和 (B) 中高亮區(qū)域放大的圖像。這些圖像揭示了頂部接觸和組合接觸的電子注入路徑 (A → B → C → D → E) 和 (A → F → G)；(E) Au-MoS2組合接觸的側(cè)視圖（插圖），以及沿垂直方向的相應(yīng)靜電勢分布；(F) Au-MoS2組合接觸的俯視圖（插圖），以及沿水平方向的相應(yīng)靜電勢分布。
研究團(tuán)隊(duì)使用氯化鈉輔助的化學(xué)氣相沉積方法，并采用了套小管以及限域的方法成功合成了大面積的樹枝狀雙層MoS2材料。通過表征證明了所合成的材料具有大面積的枝晶結(jié)構(gòu)和高度的均勻性。在光學(xué)響應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)底層和頂部樹枝狀層的拉曼光譜在385 cm?1和405 cm?1處有特征峰，表明它們均為層狀MoS2納米結(jié)構(gòu)。樹枝狀MoS2的拉曼峰和光致發(fā)光(PL) 峰強(qiáng)度明顯高于底層MoS2，表明其帶隙相較于底層MoS2顯著減小（Δ=0.045 eV）。掃描開爾文探針顯微鏡(SKPM)研究表明，樹枝狀雙層MoS2的表面電位高于單層MoS2。高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)和選定區(qū)域電子衍射(SAED)圖像顯示，單層和樹枝狀雙層區(qū)域均為單晶結(jié)構(gòu)。高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像揭示了樹枝狀雙層MoS2的原子結(jié)構(gòu)為2H相，具有倒對稱性。上述表征結(jié)果意味著第二層樹枝狀MoS2能夠在電子器件中實(shí)現(xiàn)電極與材料之間的大面積邊緣接觸。
圖2. (A) 通過CVD合成樹枝狀雙層MoS2的示意圖，插圖為合成產(chǎn)物的示意圖；(B) 光學(xué)圖像和 (C) 樹枝狀雙層MoS2的掃描電鏡圖像。比例尺分別為20 μm和6 μm；(D) 樹枝狀雙層MoS2的拉曼光譜和 (E) PL光譜，插圖：激光光斑掃描的位置；比例尺：4 μm。(F) 原子力顯微鏡和(G) 樹枝狀雙層MoS2的SKPM圖像；(H) 明場透射電鏡圖像，顯示生長在單層MoS2上的典型樹枝狀雙層，比例尺：500 nm；(I) 單層和雙層邊界處的高分辨率透射電鏡圖像，比例尺：5 nm，插圖為單層和雙層MoS2的選取電子衍射；(J，K) 為圖I中用白色虛線方塊1和2表示的區(qū)域的原子分辨率的HAADF-STEM圖像分別顯示了單層MoS2和雙層MoS2的原子圖像，比例尺：0.5 nm；(L) 原子STEM-ADF 圖像，該圖像描繪了具有S之字形邊緣的2H相位，比例尺：0.5 nm；(M) 為與(L) 中的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的原子模型包括其橫截面圖。
為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量場效應(yīng)晶體管以及柔性傳感器件的制備，需要將高溫合成的MoS2材料無損地轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基底上。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種PS/PMMA輔助轉(zhuǎn)移方法。該轉(zhuǎn)移方法的過程如下：首先將PMMA涂覆到待轉(zhuǎn)移的樹枝狀MoS2表面，在切割掉PMMA邊緣后，旋涂另一種聚合物(PS)，并在加熱臺(tái)上烘干。然后在有機(jī)膜/MoS2/基底的邊緣滴加去離子水，利用毛細(xì)作用以及有機(jī)薄膜與基底二氧化硅強(qiáng)的疏水性使有機(jī)膜/MoS2與基底分離開來。接下來將薄膜覆蓋到目標(biāo)基底上，并在熱臺(tái)上使薄膜鋪展均勻，貼合緊密。最后使用丙酮將聚合物膜去除干凈。與傳統(tǒng)的強(qiáng)堿刻蝕法相比，該轉(zhuǎn)移方法在二維TMDs材料轉(zhuǎn)移中可以顯著降低材料損傷、降低雜質(zhì)元素引入，同時(shí)能夠完全去除生長過程中殘余的NaCl。這種方法也允許將納米材料完整無損地轉(zhuǎn)移到不同的基底上。研究團(tuán)隊(duì)使用這種轉(zhuǎn)移方法，將MoS2薄膜材料成功地從生長基底表面轉(zhuǎn)移到其他的SiO2/Si基底和PET基底上。
圖3. (A) PS/PMMA輔助轉(zhuǎn)移樹突狀雙層MoS2流程圖；(B-D) 轉(zhuǎn)移前后MoS2在不同基底上的光學(xué)圖像，比例尺: 20 μm。
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)通過傳輸長度法（TLM）研究了Au電極與樹枝狀雙層MoS2之間的接觸電阻（Rc）。通過設(shè)計(jì)五個(gè)不同長度的溝道來測量器件的對應(yīng)總電阻（Rtot），擬合計(jì)算發(fā)現(xiàn)樹枝狀雙層MoS2的接觸電阻為5.4 kΩ·μm，顯著低于非樹枝狀單層MoS2的接觸電阻（907 kΩ·μm）。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為出現(xiàn)這種情況的原因是樹枝狀結(jié)構(gòu)大大增加了Au電極與MoS2之間的邊緣接觸面積，從而提高了其電學(xué)性能。研究團(tuán)隊(duì)測量了溫度依賴的輸出特性，結(jié)果顯示電子器件在低溫下雖然表現(xiàn)出一定的肖特基接觸特性，但最終擬合結(jié)果表明肖特基勢壘約為14.5 meV，顯著低于單層MoS2的平均肖特基勢壘高度（200 meV）。此外，基于樹枝狀雙層MoS2的FETs器件在空氣中測試時(shí)的穩(wěn)定性也得到提高。
圖4. (A) 用于接觸電阻測試的MoS2器件示意圖; (B) 測量不同通道長度的總電阻(Rtot)，用擬合曲線來計(jì)算Rc；(C) 和(D) 使用TLM方法提取樹枝狀MoS2器件的接觸電阻Rc；(E) 和(F) 提取單層MoS2的接觸電阻；(G) 樹狀雙層MoS2FET器件在T= 100到220 K范圍內(nèi)的I-V曲線；(H) 樹狀雙層MoS2器件在不同偏壓下的阿倫尼烏斯圖；(I) 通過y截距值提取肖特基勢壘ΦB。
基于樹枝狀雙層MoS2的低接觸電阻特性，研究團(tuán)隊(duì)制備了一種柔性應(yīng)變傳感器，并對其分辨率以及功耗等性能進(jìn)行了研究。該傳感器在不同應(yīng)變長度下的電學(xué)信號(hào)變化顯示出其檢測限為0.04%，并具有較高的穩(wěn)定性。在功耗研究中，傳感器在1 V到1 mV的不同加載電壓下均表現(xiàn)出較高的微應(yīng)變分辨率，尤其在1 mV的加載電壓下，電響應(yīng)區(qū)分度同樣保持較高的水準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果表明傳感器在1 mV工作電壓下的平均功耗約為33 pW，在10 mV工作電壓下的平均功耗為8 nW。此外傳感器能夠準(zhǔn)確記錄人體脈搏波信號(hào)，在單個(gè)脈沖周期內(nèi)可以清楚地識(shí)別入射波(P1) 和反射波(P2)。樹枝狀雙層MoS2柔性應(yīng)變傳感器在超低功耗下實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的微應(yīng)變監(jiān)測，為柔性低功耗健康監(jiān)測器件的制備提供了新的途徑。
圖5. (A) 柔性MoS2應(yīng)變傳感器在上彎曲下的電響應(yīng)；(B) 電學(xué)響應(yīng)和GF與應(yīng)變量的關(guān)系；(C) 傳感器在上下彎曲狀態(tài)下的響應(yīng)；(D) 附著在手腕上的傳感器在不同彎曲角度下的響應(yīng)；(E) ΔR/R(%)在1 V ~ 1 mV加載電壓下對不同程度應(yīng)變的響應(yīng)；(F) 10 mV電壓下，傳感器響應(yīng)腕部脈沖時(shí)的電阻變化；(G) 手腕脈搏信號(hào)放大的單個(gè)周期；(H) 貼附到人體喉嚨的柔性應(yīng)變傳感器的聲音識(shí)別。
論文信息
Ultra-low Power Consumption Flexible Sensing Electronics by Dendritic Bilayer MoS2
Lei Luo, Jiuwei Gao, Lu Zheng, Lei Li, Weiwei Li, Manzhang Xu, Hanjun Jiang, Yue Li, Hao Wu, Hongjia Ji, Xuan Dong, Ruoqing Zhao, Zheng Liu, Xuewen Wang*, Wei Huang*
DOI:10.1002/inf2.12605
Citation:InfoMat, 2024, e12605
團(tuán)隊(duì)介紹
黃維院士團(tuán)隊(duì)王學(xué)文教授課題組圍繞特種柔性感知材料與器件開展研究，已在Nat. Commun. （1篇）、Sci. Adv.（1篇）、Adv. Mater.（9篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Research（3篇）等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，同行引用8500余次。課題組獲授權(quán)中國發(fā)明專利15項(xiàng)、美國專利1項(xiàng)。相關(guān)研究成果被新華社、中央廣播電視總臺(tái)、《科技日報(bào)》、《中國科學(xué)報(bào)》等多家主流媒體報(bào)道。上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金，以及國家留學(xué)基金委獎(jiǎng)學(xué)金等經(jīng)費(fèi)的支持。
關(guān)于InfoMat
《信息材料（英文）》（InfoMat）是由電子科技大學(xué)和Wiley出版集團(tuán)共同主辦的國產(chǎn)金色OA學(xué)術(shù)期刊，聚焦信息技術(shù)與材料、物理、能源、生物傳感以及人工智能等新興交叉領(lǐng)域前沿研究，創(chuàng)刊主編為李言榮院士。
● 國產(chǎn)金色OA英文期刊
● 影響因子22.7；CiteScore37.7
● 中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊
● 中科院分區(qū)材料科學(xué)1區(qū)期刊
● 收錄于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等數(shù)據(jù)庫
● 2022、2023年連續(xù)入選中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊（Top5%）
● 2021、2022、2023年連續(xù)三年獲評已進(jìn)入世界期刊TOP5%
● 發(fā)表原創(chuàng)性研究論文、綜述、前瞻性論文
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（來源：柔性電子研究院；審核：王學(xué)文）
