幼女秀场黄维院士王学文教讲课题组在InfoMat发表超低功耗柔性传感器沟通推敲恶果

发布日期：2024-08-29 01:06 点击次数：150

低功耗遐想是保险新一代信息器件与电子系统高效、可靠、永劫数转的基础。因此幼女秀场，新式低功耗电子器件对东谈主工智能、智能化医疗和物联网 (IoT)的发展至关要紧。以MoS2为代表的二维过渡金属硫化物由于具有优异的电学和力学性能，是柔性传感材料的理念念聘用。可是，基于二维材料的柔性传感器若何完毕超低功耗下的微应变检测仍具有挑战。近日，西北工业大学黄维院士王学文教讲课题组与南洋理工大学刘政教学相助，发现基于双层树枝状MoS2材料的电子器件具有较低的交游电阻。推敲团队在深入推敲载流子的传输机理之后，专揽这种低交游电阻特质，完毕了柔性传感器对微应变在超低功耗要求下的精确监测。

连年来，二维过渡金属二硫化物（2D TMDs）由于可调的非零带隙被讲授在受到外界刺激时具有可不雅的电学性能变化。可是，由于金属电极-半导体界面之间存在肖特基势垒对载流子传输的死心，传感器件的性能包括灵巧度、检测精度、轮回清楚性，相等是功耗方面受到很大的影响。推敲团队冷漠了通过大面积旯旮交游的措施镌汰金属电极与二维MoS2之间交游电阻从而完毕超低功耗柔性传感器的新措施。领先，推敲团队通过第一性旨趣策分辩析了金属电极与半导体材料之间不同交游花式（顶部交游与旯旮交游）的静电势散播。如红色虚线所示，界面最高点与费米能级之间的距离为纯正势垒高度(ϕt)。通过比较发现顶部交游的电势高于费米能级。模拟的扫尾说明了顶部交游的界面势垒高于旯旮交游。

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图1. (A) 传统的vdWs 顶部交游电学器件暗示图；(B)顶部交游与旯旮交游组合的器件暗示图；(C 和 D) 为 (A) 和 (B) 中高亮区域放大的图像。这些图像揭示了顶部交游和组合交游的电子注入旅途 (A → B → C → D → E) 和 (A → F → G)；(E) Au-MoS2组合交游的侧视图（插图），以及沿垂直标的的相应静电势散播；(F) Au-MoS2组合交游的俯瞰图（插图），以及沿水普通向的相应静电势散播。

推敲团队使用氯化钠扶植的化学气相千里积措施，并收受了套小管以及限域的措施告捷合成了大面积的树枝状双层MoS2材料。通过表征讲授了所合成的材料具有大面积的枝晶结构和高度的均匀性。在光学反映推敲中发现底层和顶部树枝状层的拉曼光谱在385 cm⁻¹和405 cm⁻¹处有特征峰，标明它们均为层状MoS2纳米结构。树枝状MoS2的拉曼峰和光致发光(PL) 峰强度显着高于底层MoS2，标明其带隙相较于底层MoS2显赫减小（Δ=0.045 eV）。扫描开尔文探针显微镜(SKPM)推敲标明，树枝状双层MoS2的名义电位高于单层MoS2。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和采选区域电子衍射(SAED)图像显现，单层和树枝状双层区域均为单晶结构。高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像揭示了树枝状双层MoS2的原子结构为2H相，具有倒对称性。上述表征扫尾意味着第二层树枝状MoS2未必在电子器件中完毕电极与材料之间的大面积旯旮交游。

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图2. (A) 通过CVD合成树枝状双层MoS2的暗示图，插图为合成家具的暗示图；(B) 光学图像和 (C) 树枝状双层MoS2的扫描电镜图像。比例尺分别为20 μm和6 μm；(D) 树枝状双层MoS2的拉曼光谱和 (E) PL光谱，插图：激光光斑扫描的位置；比例尺：4 μm。(F) 原子力显微镜和(G) 树枝状双层MoS2的SKPM图像；(H) 明场透射电镜图像，显现助长在单层MoS2上的典型树枝状双层，比例尺：500 nm；(I) 单层和双层规模处的高分辨率透射电镜图像，比例尺：5 nm，插图为单层和双层MoS2的中式电子衍射；(J，K) 为图I顶用白色虚线方块1和2深入的区域的原子分辨率的HAADF-STEM图像分别显现了单层MoS2和双层MoS2的原子图像，比例尺：0.5 nm；(L) 原子STEM-ADF 图像，该图像态状了具有S之字形旯旮的2H相位，比例尺：0.5 nm；(M) 为与(L) 中的结构相对应的原子模子包括其横截面图。

为了完毕高质料场效应晶体管以及柔性传感器件的制备，需要将高温合成的MoS2材料无损地鼎新到贪图基底上。推敲团队树立了一种PS/PMMA扶植鼎新措施。该鼎新措施的过程如下：领先将PMMA涂覆到待鼎新的树枝状MoS2名义，在切割掉PMMA旯旮后，旋涂另一种团员物(PS)，并在加热台上烘干。然后在有机膜/MoS2/基底的旯旮滴加去离子水，专揽毛细作用以及有机薄膜与基底二氧化硅强的疏水性使有机膜/MoS2与基底分离开来。接下来将薄膜掩盖到贪图基底上，并在热台上使薄膜铺展均匀，贴合良好。临了使用丙酮将团员物膜去除干净。与传统的强碱刻蚀法比较，该鼎新措施在二维TMDs材料鼎新中不错显赫镌汰材料毁伤、镌汰杂质元素引入，同期未必满盈去除助长过程中残余的NaCl。这种措施也允许将纳米材料齐全无损地鼎新到不同的基底上。推敲团队使用这种鼎新措施，将MoS2薄膜材料告捷地从助长基底名义鼎新到其他的SiO2/Si基底和PET基底上。

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图3. (A) PS/PMMA扶植鼎新树突状双层MoS2历程图；(B-D) 鼎新前后MoS2在不同基底上的光学图像，比例尺: 20 μm。

进一时势，推敲团队通过传输长度法（TLM）推敲了Au电极与树枝状双层MoS2之间的交游电阻（Rc）。通过遐想五个不同长度的沟谈来测量器件的对应总电阻（Rtot），拟算策划发现树枝状双层MoS2的交游电阻为5.4 kΩ·μm，显赫低于非树枝状单层MoS2的交游电阻（907 kΩ·μm）。推敲团队合计出现这种情况的原因是树枝状结构大大增多了Au电极与MoS2之间的旯旮交游面积，从而进步了其电学性能。推敲团队测量了温度依赖的输出特质，扫尾显现电子器件在低温下天然理会出一定的肖特基交游特质，但最终拟合扫尾标明肖特基势垒约为14.5 meV，显赫低于单层MoS2的平均肖特基势垒高度（200 meV）。此外，基于树枝状双层MoS2的FETs器件在空气中测试时的清楚性也获取进步。

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图4. (A) 用于交游电阻测试的MoS2器件暗示图; (B) 测量不同通谈长度的总电阻(Rtot)，用拟合弧线来策划Rc；(C) 和(D) 使用TLM措施索取树枝状MoS2器件的交游电阻Rc；(E) 和(F) 索取单层MoS2的交游电阻；(G) 树状双层MoS2FET器件在T= 100到220 K范围内的I-V弧线；(H) 树状双层MoS2器件在不同偏压下的阿伦尼乌斯图；(I) 通过y截距值索取肖特基势垒ΦB。

基于树枝状双层MoS2的低交游电阻特质，推敲团队制备了一种柔性应变传感器，并对其分辨率以及功耗等性能进行了推敲。该传感器在不同应变长度下的电学信号变化显现出其检测限为0.04%，并具有较高的清楚性。在功耗推敲中，传感器在1 V到1 mV的不同加载电压下均理会出较高的微应变分辨率，尤其在1 mV的加载电压下，电反映区分度一样保执较高的水准。策划扫尾标明传感器在1 mV使命电压下的平均功耗约为33 pW，在10 mV使命电压下的平均功耗为8 nW。此据说感器未必准确纪录东谈主体脉搏波信号，在单个脉冲周期内不错明晰地识别入射波(P1) 和反射波(P2)。树枝状双层MoS2柔性应变传感器在超低功耗下完毕了准确、及时的微应变监测，为柔性低功耗健康监测器件的制备提供了新的路子。

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图5. (A) 柔性MoS2应变传感器在上蜿蜒下的电反映；(B) 电学反映和GF与应变量的关系；(C) 传感器在高下蜿蜒景色下的反映；(D) 附着在手腕上的传感器在不同蜿蜒角度下的反映；(E) ΔR/R(%)在1 V ~ 1 mV加载电压下对不同进度应变的反映；(F) 10 mV电压下，传感器反映腕部脉冲时的电阻变化；(G) 手腕脉搏信号放大的单个周期；(H) 贴附到东谈主体喉咙的柔性应变传感器的声息识别。

论文信息

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

团队先容

哥也色蝴蝶谷

黄维院士团队王学文教讲课题组围绕特种柔性感知材料与器件开展推敲，已在Nat. Commun. （1篇）、Sci. Adv.（1篇）、Adv. Mater.（9篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Research（3篇）等国外泰斗学术期刊发表学术论文60余篇，同业援用8500余次。课题组获授权中国发明专利15项、好意思国专利1项。联系推敲恶果被新华社、中央播送电视总台、《科技日报》、《中国科学报》等多家主流媒体报谈。上述使命获取了国度重心研发沟通、国度天然科学基金、陕西省天然科学基金，以及国度留学基金委奖学金等经费的解救。

对于InfoMat

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