清华大学林朝阳/加州大学段镶锋Nat. Commun. : 室温溶液法制备高迁移率MoS2薄膜 【文后附课题组博士后招聘信息】

纳米人

2025-11-26

二维半导体材料二硫化钼（MoS₂）因其独特的层状晶体结构和优异的电学特性，被视为超薄电子器件的理想候选材料。目前主流的合成方法化学气相沉积（CVD）通常需要较高的合成温度（400-900 ℃），工艺成本高昂且不兼容柔性塑料基底。相比之下，液相合成方法可以降低合成温度，但得到的薄膜电学性能（平均迁移率~10 cm²·V^-1·s^-1）目前尚不及CVD制备的薄膜，且仍需较高温度的后处理加工（250-300 ℃）。

近日，清华大学化学系林朝阳副教授、加州大学洛杉矶分校化学系段镶锋教授（共同通讯作者）报道了在室温下液相制备高迁移率晶圆级半导体MoS₂薄膜的新方法，该技术的主要特点在于避免使用传统的长链聚合物，而是改用一种更容易去除的有机季铵分子作为表面配体。与传统长链聚合物表面活性剂（如PVP，聚乙烯吡咯烷酮）不同，结构紧凑的季铵分子配体既可以与MoS₂结合，形成稳定的胶体分散液，同时又可以在薄膜沉积后通过简单的溶剂冲洗去除，从而在室温下获得原子级洁净、无有机物残留的MoS₂薄膜。基于这一技术突破，研究团队成功制备出液相加工的高性能MoS₂半导体薄膜。室温（25 ℃）下制备的MoS₂薄膜平均电子迁移率可达50 cm²·V^-1·s^-1，经 200 ℃退火后，迁移率可进一步提升至 68 cm²·V^-1·s^-1。所制备的晶体管展现出高均匀性，可集成制备各类逻辑门电路、环形振荡器以及有机发光二极管（OLED）驱动电路。特别地，基于液相法制备的MoS₂环形振荡器输出振荡频率超过300 kHz，是目前低温液相法制备二维器件的最佳性能。因此，这种新型的无聚合物MoS₂胶体墨水材料，为低温法制备高性能二维半导体薄膜和电子器件提供了一种新的思路。该研究工作以“Room-temperature solution processing of high-mobility MoS₂ thin films”为题发表在期刊《Nature Communications》上。清华大学博士后薛俊莹和博士生夏婷怡、以及松山湖实验室/湖南大学博士生李童为该工作的共同第一作者，清华大学林朝阳副教授、加州大学洛杉矶分校段镶锋教授为共同通讯作者，作者还包括中科院物理所/松山湖实验室张广宇和李娜研究员等人。

无聚合物墨水的合成

本工作成功开发一种无聚合物单层MoS₂墨水。通过在完全无水的环境中进行电化学插层与剥离，利用四庚基铵（THA⁺）作为插层剂和表面配体，使其稳定存在于单层MoS₂纳米片表面。与传统聚合物（如，PVP等）包覆的纳米片相比，THA⁺可以通过简单的溶剂清洗或/和低温退火轻松去除，为实现高性能电子器件的低温制备奠定了坚实基础。

图1. 无聚合物单层THA/MoS₂纳米片性质

高质量MoS₂薄膜的可控组装

研究人员利用无聚合物THA/MoS₂墨水，结合旋涂工艺，制备出了晶圆级、厚度可控的均匀MoS₂薄膜。经过简单的溶剂清洗及低温（室温25 ℃至200 ℃）退火处理，薄膜中的有机物被彻底去除，形成具有洁净范德华界面的高质量MoS₂薄膜。结构表征进一步表明，该薄膜内部有序，界面无污染，堆叠完整。同时，沉积的MoS₂薄膜材料可以从基底上撕下，成为可独立存在的自支撑薄膜。

图2. 溶液法沉积高质量MoS₂薄膜

高性能MoS₂薄膜晶体管的制备

无聚合物墨水制备的MoS₂薄膜经溶剂清洗和200 ℃退火后，加工得到的场效应晶体管展现出优异的电学性能，迁移率达到68 cm²·V^-1·s^-1，较传统含聚合物墨水性能提升近十倍。值得注意的是，仅在室温（25 ℃）下处理的薄膜仍保持50 cm²·V^-1·s^-1的高迁移率和10⁷的开关比，是目前液相法制备MoS₂薄膜中最高的载流子迁移率。更重要的是，该方法创新型的低温工艺优势使其能够与柔性基底兼容，为实现低成本、大面积柔性电子器件制备提供了新的材料平台。

图3. MoS₂薄膜电学性能测试

集成电子器件的应用

基于这种高性能MoS₂薄膜晶体管，研究人员成功构建了集成电路与功能器件。制备的反相器及其他逻辑门在1-5 V电压范围内表现出稳定的逻辑输出与高增益，连续循环测试输出响应精确。进一步集成环形振荡器，实现了高达315 kHz的震荡频率，单级传播延迟仅0.53 μs，创造了液相合成二维半导体电路性能新纪录。同时，该晶体管成功驱动OLED，可实现有效开关与连续亮度调控。

图4. 基于MoS₂晶体管的器件集成

该研究报道了一种制备无聚合物THA/MoS₂单层墨水的化学方法，可以在室温下沉积晶圆级高质量MoS₂薄膜。与需要高温后处理、且容易带来有机物残留的有机聚合物表面活性剂PVP不同，季铵盐THA⁺配体可通过简单的溶剂清洗完全去除。因此，即使在室温工艺下，也能在单层晶体间重建高质量、洁净的范德华界面。这种无聚合物胶体墨水在制备的MoS₂薄膜中带来了电学性能的显著提升，例如，其载流子迁移率是迄今溶液法制备MoS₂薄膜的最高值之一，甚至优于采用CVD方法在T≤400℃下生长的晶圆级MoS₂晶体性能。最后，高度均匀的MoS₂晶体管阵列可集成到逻辑门电路、环形振荡器以及 OLED 电流驱动电路中。其中3级环形振荡器的振荡频率达315 kHz，较以往基于溶液法制备的二维半导体有显著进步。综上，这种高质量MoS₂薄膜的低温制备技术，为下一代大面积、高性能晶体管及集成电子器件的发展提供了新的思路。

论文信息

题目：Room-temperature solution processing of high-mobility MoS2 thin films

期刊：《Nature Communications》

通讯作者：清华大学林朝阳副教授 加州大学洛杉矶分校段镶锋教授

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66523-z

课题组介绍

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，无机二维半导体材料的液相化学合成，高质量薄膜组装，以及其在柔性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。近三年内，作为通讯作者在Nat. Electron., Nat. Protoc., Chem, Nat. Commun., Sci. Adv., Chem. Rev.等期刊发表多篇论文，累计引用数超过18,000次。【课题组招聘博士后研究人员2-3名，有意者请邮件联系：zlin@mail.tsinghua.edu.cn】

课题组主页：http://www.zlin-lab.com/