清华大学林朝阳，Nature Electronics！

纳米人

2025-02-21

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（文末附博后招聘信息）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~10⁷），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MoS₂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MoS₂晶体，二维InSe晶体被认为具有更高的的本征迁移率（300–1000 cm²·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 cm²·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。    

图1. 水分对液相法合成InSe纳米片晶体质量的影响机制。

图2. 使用溶液法沉积制备的高质量晶圆级InSe薄膜。

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。

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。

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

【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：zlin@mail.tsinghua.edu.cn    

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