Science重磅:2D打印石墨烯晶体管,从哈利波特魔法报纸到保质期倒计时标签

　　近日，《科学》（science）刊发爱尔兰都柏林圣三一学院的Jonathan Coleman教授团队完全利用二维纳米片层材料打印薄膜晶体管的相关研究成果。该论文题为“All-printed thin-film transistors from networks of liquid-exfoliated nanosheets”。

　　提起“会玩”的科学家，爱尔兰都柏林圣三一学院的Jonathan Coleman教授一定算得上是一位。去年Coleman团队的大作——太残暴，“石墨烯+橡皮泥”，玩出了篇Science。这也只是这个团队的众多“会玩”的工作之一。Coleman教授坦陈“我们课题组已经形成了一个传统，很乐意在科学研究里尝试那些家用的东东。”

　　Coleman团队不但“会玩”，严肃起来也一样了得。最近，他们研究了一个相当严肃的课题——完全利用二维纳米片层材料打印薄膜晶体管，这种薄膜晶体管比有机薄膜晶体管性价比更好，更容易制备。让热的发烫、论文无数的二维纳米材料向着实用化又迈进了一大步。

二维纳米材料打印的薄膜晶体管阵列可作为食品智能标签。图中人物：Toby Hallam博士（左）、Jonathan Coleman教授（中）和Adam Kelly（右）。

　　言归正传。首先介绍下与打印薄膜晶体管有关的印刷电子技术。印刷电子技术往往采用普通的印刷方法（丝网印刷、凹版印刷、平版印刷、喷墨打印等等），快速、高效和灵活地在多种材质的基底上形成电子元件或器件的电路及结构，可以用来制备智能标签、柔性显示器、可穿戴柔性电子设备等。与传统微电子技术相比，印刷电子技术具有用材少、成本低、无污染、支持柔性基材等优势，是一种绿色制造技术。

印刷电子技术的应用。

　　该团队在Coleman教授的领导下，由GeorgDuesberg教授（AMBER）和Laurence Siebbeles教授（荷兰TU Delft）合作参与，采用标准打印技术将石墨烯纳米片与两种其他纳米材料，即二硒化钨和氮化硼作为通道和分离器（晶体管的两个重要部分），从而形成全印刷全纳米片工作晶体管。

　　打印式电子元件在过去三十年中主要以可打印化的碳基分子为基础。尽管这些分子可以容易地变成可印刷的油墨，但是这些材料有些不稳定并且具有众所周知的性能缺陷。过去有许多研究来解决这些缺陷，诸如使用碳纳米管或无机纳米颗粒作为替代材料，但是这些材料在性能或生产上亦不尽人意。虽然打印式二维元件的性能尚不能与先进的晶体管进行比较，但研究团队相信，打印式晶体管仍然有性能提升的空间。

　　打印式二维纳米材料的技术是基于Coleman教授规模化制备二维纳米材料（包括石墨烯，氮化硼和二硒化钨纳米片）的方法，这一技术已被授权给Samsung和Thomas Swan公司。这些纳米片为厚度为几纳米，宽数百纳米的表面平坦粒子。

　　最为重要的是，纳米片由导电、绝缘或半导体等不同电学特性的材料制成，因此包括了所有的电子构件。液体化工艺的优势在于，其以易于加工成油墨的形式产生大量高质量的二维材料。Coleman教授所公布的成果以极低的成本发掘了打印电子元件的潜力，这将有助于实现从动态海报到智能标签等一系列的产品应用。

电影《哈利波特》中的魔法报纸

　　为了减少半导体WSe2带隙的空间差异，研究人员对纳米片层进行了尺寸筛选。随后的表征结果表明，所得纳米片层都是半导体，平均长度在330-380 nm，平均厚度在13-17层。

半导体纳米片层的表征以及纳米片层网络。

　　这种全印刷式、全纳米片层的薄膜晶体管以石墨烯作为源极、栅极和漏极电极（下图A，黑色），半导体二硒化钨WSe2作为沟道（下图A，红色），并用氮化硼BN作为绝缘层（下图A，白色）。在多孔纳米片层网络中填充着离子液体（EMIm TFSI，下图A，天蓝色），BN纳米片层的内部孔洞中的离子液体，可以实现固体状结构中的电解门控。开关比、开关速度等性能测试结果也让人满意（on:off ratio > 25，gm = 22 μS，下图F）。

全印刷式、全纳米片层的薄膜晶体管的结构、印刷过程、阵列及表征。

　　Coleman教授接收采访时提到：“将来印刷电子技术将被应用到最常见的物品，如标签、海报和包装等，印刷电子器件可以收集、处理、显示和传输信息。例如，牛奶包装盒上的智能标签可能会向你的手机发送消息，警告这盒牛奶即将过期。”

　　Coleman 教授称，二维纳米材料，能与目前印刷电子设备使用的材料进行竞争。相比于这个领域使用的其它材料来说，二维纳米材料能够生产出更划算、更高性能的印刷电子设备。然而，过去十年以来，二维材料已经广泛应用于一些列的电子设备，但是这是它首次在印刷电子领域的显现价值。

　　这项研究的发表十分重要，因为它展示了可作为导体、半导体和绝缘体的二维材料，能在复杂设备中结合到一起。晶体管作为电子开关来说，是现代计算机的心脏，所以晶体管的研究至关重要。

　　下一步，他们将继续改进这种全印刷式、全纳米片层的薄膜晶体管，比如优化离子液体以及控制二维纳米材料的形貌和连接性，以进一步提高薄膜晶体管的性能，向着实用化迈进。这一研究成果有望推动印刷电子元件的产业化，如ICT和制药等行业，从太阳能电池到LED等电子元件都可以被低成本的打印出来，其中产品囊括了从交互式智能食品、药品标签到下一代金融安全和电子护照等各领域。相关论文全文发表在 Science  07 Apr 2017:Vol. 356, Issue 6333, pp. 69-73（DOI: 10.1126/science.aal4062）上。