基于二维材料的印刷式晶体管

随着人类社会逐渐迈向物联网（IoT）时代，传统基于刚性且昂贵的材料以及耗时且高温的的半导体加工技术，无法满足物联网的全面发展需求。因此，寻找既能够满足未来应用的性能要求，又能降低制造成本、降低功耗，并使用简单的器件集成技术，如印刷技术，将变得至关重要。

鉴于此，近日来自意大利比萨大学的Gianluca Fiori教授和英国曼彻斯特大学的Cinzia Casiraghi教授共同在Nature Reviews Materials 上以Printed transistors made of 2D material-based inks为题发表综述文章，概述了基于二维材料的印刷式晶体管技术，讨论了晶体管的性能特征、现状以及性能限制，并描述了该领域的未来挑战和展望。

图1. 场效应晶体管的结构和特征。图源：Nat Rev Mater (2023).

晶体管是现代电子技术的核心元件之一，它的工作原理和应用范围广泛，为各种电子设备的功能实现提供了关键支持。晶体管通常由三个电极组成，分别是源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）。

晶体管的基本功能之一是控制电子流的流动。在一个晶体管中，电子流通常从源极开始，经过半导体材料，最终流向漏极。电子流的流动可以被栅极控制和调节。栅极是晶体管的控制中心。当栅极施加电压时，它会改变半导体材料中的电子浓度，从而影响电流的流动。具体来说，当栅极施加正电压时，它会吸引半导体中的电子，使电子流从源极流向漏极。相反，当栅极施加负电压时，它会排斥电子，导致电流无法流动。

晶体管具有放大电流的能力。通过适当地控制栅极电压，可以使晶体管在“开启”和“关闭”之间切换，从而控制电流的流动。这种放大作用使晶体管成为电子放大器的关键组件，可以用于放大各种电子信号，如音频信号、无线通信信号等。

晶体管的工作原理和放大功能使其在放大器、开关电路、放大和调制信号以及逻辑门等各种领域中发挥着关键作用。晶体管是现代电子技术的基石，其工作原理和应用范围广泛。它们的能力不仅限于放大电流，还包括开关、调制信号、执行逻辑运算等多种功能。晶体管的发明和不断改进推动了电子技术的发展，使我们能够拥有更小、更强大和更高效的电子设备。

图2. 二维材料印刷技术。图源：Nat Rev Mater (2023).

然而，传统的硅基晶体管制造过程复杂且昂贵，无法满足快速发展的电子技术领域对低成本、柔性和可印刷电子的需求。在这个背景下，基于二维材料的印刷式晶体管出现了，为现代电子学和信息技术的发展提供了崭新的机遇。

制备基于二维材料的印刷式晶体管的方法多种多样，包括溶液处理法、机械剥离法、化学气相沉积（CVD）和机械外延法。这些方法各具特点，可以根据应用需求选择合适的制备方法。例如，溶液处理法适用于大规模生产，而机械剥离法则适用于研究和实验室规模的应用。基于二维材料的印刷式晶体管不仅具有高度可控的薄膜制备优势，还具有卓越的电子性能，包括高电导率、低功耗和柔性性质。

溶液处理法是一种制备基于二维材料的印刷式晶体管的常见方法。这种方法通过将二维材料分散在溶剂中，然后使用喷墨打印或丝网印刷等技术将溶液沉积在基底上，实现了高度可控的薄膜制备。溶液处理法的优势在于适用于大规模生产，但它也带来了一些挑战，如需处理溶液的精确浓度和稳定性。此外，选择合适的溶剂对于获得高质量的薄膜也至关重要。然而，这一方法已经在大面积电子设备和柔性电子中取得了重大突破，为实现高性能晶体管打下了坚实基础。

机械剥离法是另一种常用的制备二维材料的方法。这种方法涉及使用机械手段，如剥离胶带，将二维材料剥离到所需的厚度，然后将其转移到基底上。机械剥离法可以获得高质量的二维材料，但不适用于大规模生产，因为它通常需要手工操作，成本较高且效率较低。然而，它在研究和实验室规模的应用中仍然具有价值，特别是在需要高度纯净的材料时。

化学气相沉积（CVD）是一种常见的材料生长方法，通常用于制备三维材料的薄膜。然而，CVD也可以用于生长二维材料，尤其是对于具有大面积单层结构的材料。这种方法通过将气体前体在基底上沉积成薄膜来实现，具有高度控制的优势。尽管CVD可以实现高质量的薄膜，但它通常需要高温和专业设备，因此在制备过程中需要额外的成本和技术。

机械外延法是一种类似于CVD的制备方法，它涉及在基底上生长二维材料。与CVD不同的是，机械外延法通常在较低温度下进行，从而减少了能源消耗和设备成本。这种方法具有生长薄膜的高度控制性能，可以实现复杂的二维结构。然而，它仍然需要特殊的设备，因此适用于中小规模的生产。

这些制备方法的不断发展和改进为基于二维材料的印刷式晶体管提供了多种选择。随着材料科学和纳米技术的进步，我们可以期待更多创新的方法和材料，将推动这一领域的发展。基于二维材料的印刷式晶体管将继续在电子学、通信、医疗保健和可穿戴技术等领域发挥关键作用，为未来科技的发展开辟新的前景。

图3.溶液处理的二维半导体的品质因数。图源：Nat Rev Mater (2023).

基于二维材料的印刷式晶体管在通信和信息技术领域中具有广泛的应用前景。这些晶体管可以用于构建高性能的射频放大器和调制器，用于信号处理和通信系统。由于它们的柔性性质，这些晶体管还可以集成到弯曲和可穿戴设备中，为智能手机、平板电脑和可穿戴技术等提供更好的性能。

另一个令人兴奋的应用是基于二维材料的印刷式晶体管在5G通信技术中的应用。5G技术需要更高的频率范围和更大的带宽，以支持高速数据传输和低延迟通信。基于二维材料的晶体管具有高电导率和低噪声特性，可以实现更高的频率响应和更快的信号处理速度，从而为5G通信提供了强大的支持。

此外，基于二维材料的印刷式晶体管还可以用于构建高分辨率的显示屏和触摸屏。这些晶体管可以在显示技术中实现更高的像素密度和更广的色彩范围，从而提供更清晰、更生动的图像和视频。

同时，基于二维材料的印刷式晶体管可以在可穿戴技术中发挥关键作用。首先，这些晶体管可以制造轻薄、柔性的传感器和显示器。这些传感器可以监测生命体征、运动和环境参数，为用户提供实时的信息。这对于健康管理和运动追踪非常重要。其次，基于二维材料的印刷式晶体管可以实现可穿戴设备的自适应性。由于其柔性和高度可定制的特性，这些设备可以与用户的身体形状和需求相适应，提供更好的舒适度和性能。

基于二维材料的印刷式晶体管代表了电子技术的未来方向，它们具有柔性、低成本、高性能和可印刷性等特点，有望在各种应用领域产生重大影响。虽然目前还存在一些挑战，如提高材料性能、制备技术的改进等，但随着技术的不断进步，我们可以期待看到更多基于二维材料的印刷式晶体管在电子领域的广泛应用。这将推动电子技术向前迈进，为我们的生活带来更多的便利和创新。

参考文献：Conti, S., Calabrese, G., Parvez, K. et al. Printed transistors made of 2D material-based inks. Nat Rev Mater (2023).

https://doi.org/10.1038/s41578-023-00585-7