在当今科技飞速发展的时代，二维材料因其独特的原子结构和优异的物理性能，被视作超越硅基电子器件的希望之星。然而，长期以来，其在实际应用中的稳定性问题却如同一道难以逾越的鸿沟，严重阻碍了二维材料从实验室迈向工业化生产的进程。
二维材料由原子级厚度的薄层构成，具备高迁移率、机械柔韧性和可调节带结构等诸多优势，在下一代电子和光电子器件领域展现出了巨大的应用潜力。但正是由于其原子级的超薄特性，使得二维材料极易受到环境因素的影响。在常温常压环境下，与氧气和水的相互作用会逐渐侵蚀其性能，导致材料性能随时间不断下降。这种氧化降解现象主要归因于活性氧物种（ROS），它们在材料和器件的储存过程中产生，具有极强的氧化性，能够引发强烈的电子捕获，甚至对材料的结构造成氧化损伤，进而严重影响电子器件的可靠性和长期性能。
为了攻克这一关键难题，科研团队创新性地从生物体中维生素 C（VC）的抗氧化作用获得灵感，成功研发出一种利用 VC 稳定二维材料电子传输的全新策略，为二维材料的发展带来了革命性的突破。
在实验研究中，科研人员选取了典型的过渡金属二硫化物MoS2作为研究对象，并以对电子传输极为敏感的场效应晶体管（FET）作为器件模型。通过化学气相沉积（CVD）技术，在SiO2/Si表面精心制备出高质量的MoS2单晶，随后转移金电极构建底部接触MoS2 FET。为了确保实验的准确性和可靠性，科研团队运用原子力显微镜（AFM）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）和选区电子衍射（SAED - STEM）等先进技术对MoS2的晶体质量进行了全面细致的表征，结果显示所制备MoS2的晶体质量良好，为后续实验奠定了坚实的基础。
在 VC 应用方面，研究人员采用简单的旋涂方法将 VC 均匀地涂覆在器件表面。考虑到 VC 结晶可能导致涂层脱湿的问题，科研人员巧妙地在 VC 溶液中按照 1:20 的质量比加入聚氨酯（PU）。经光学图像和 AFM 测量表明，形成的 VC - PU 薄膜光滑且均匀，厚度约为 11nm，并且 PU 不会对H2O和O2的隔离产生影响，也未对保护效果做出贡献，这一点通过对比有无 PU 涂层的 MoS2 FET 性能得到了进一步验证，二者的电气性能几乎完全相同。
令人振奋的是，经过 VC - PU 涂层处理后，MoS2 FET 的性能得到了显著提升。其迁移率从原本的8 cm2·V-1·s-1大幅跃升至80 cm2·V-1·s-1，开态电流与关态电流之比（Ion/Ioff）提高了超过一个数量级，亚阈值摆幅也降低至 1V，且这一卓越性能的实现并未依赖于以往文献中报道的复杂优化过程。不仅如此，器件的稳定性也实现了质的飞跃。在偏置应力测试中，经过 VC - PU 处理的MoS2 FET 在 3000s 的测试过程中，归一化电流（Ids/I0）始终保持稳定，而未处理的原始 MoS2 FET 则出现了多个数量级的下降。经过 10 次连续测量后，原始 FET 的迁移率显著降低，而 VC - PU 处理后的器件迁移率几乎没有变化。在长达 327 天的环境存储监测中，VC - PU 处理后的MoS2 FET 性能仅出现轻微波动，而未处理的器件其关键性能参数如迁移率、Ids/I0和亚阈值摆幅等均迅速下降。这一系列数据充分表明，VC 极大地增强了二维材料器件在实际环境中的稳定性，使其能够在空气中长时间稳定运行，为二维材料的实际应用扫除了关键障碍。
深入探究其背后的作用机制，科研人员发现 VC 主要通过两种方式发挥作用。一方面，VC 能够通过氧化有效地清除已存在的 ROS。通过磷光光谱和捕获剂对单线态氧（1O2）、羟基自由基（OH·）和超氧阴离子（O·2-）等三种典型 ROS 的检测发现，在MoS2 晶体受到紫外线照射加速 ROS 生成的情况下，VC 的存在能够使1O2的磷光峰不再出现，使OH·与检测试剂反应产生的特征磷光峰消失，以及显著减缓O·2-对荧光指示剂罗丹明 B（RDB）的氧化降解速度，有力地证明了 VC 对 ROS 的强大清除能力。另一方面，VC 能够抑制 ROS 的生成。研究发现，VC 涂层处理后的MoS2其 PL 强度显著增加，且从中心到边缘的分布更加均匀，而未处理的MoS2晶体 PL 强度从中心向边缘逐渐降低，这表明 VC 有效地防止了MoS2的激子被O2猝灭。通过瞬态 PL 光谱进一步提取激子寿命发现，VC 的加入使MoS2的激子寿命从 105.6ps 延长至 171.0ps，充分证实了 VC 对 ROS 生成的抑制作用。正是由于 VC 对 ROS 的清除和抑制作用，使得MoS2 FET 中由氧相关物种引起的局域陷阱位点得以消除，从而改善了材料的电子传输性能，稳定了材料结构。
为了进一步验证该策略在实际应用中的可行性，科研团队利用晶圆级MoS2薄膜制备了包含 64 个晶体管的大面积器件阵列。经过 VC - PU 处理后，两个阵列中所有晶体管的 128 条转移曲线均表现出良好的特性，迁移率、亚阈值摆幅和Ion/Ioff值均得到提升且波动在可接受范围内，所有处理后的晶体管迁移率近似呈正态分布，约为57.5±2.5 cm2·V-1·s-1，这充分表明该稳定化策略在二维材料的大面积应用中切实可行。此外，该策略还具有广泛的适用性，对包括MoS2、WS2、磷烯、ReS2、MoTe2、ReSe2和MoSe2等多种二维材料均有效，且经过 VC - PU 处理后，部分原本仅具有单极 p 型传输行为的二维材料在空气中展现出了良好的 n 型场效应性能和高电子迁移率，体现了 VC 对二维材料的极性反转能力，进一步拓展了二维材料在电子器件领域的应用潜力。
这一开创性的研究成果为二维材料的长期稳定性问题提供了切实可行的解决方案，凭借 VC 的低成本和商业易获取性，基于 VC 的二维材料稳定化策略在大规模工业化生产中展现出了巨大的潜力，有望推动二维材料在电子器件领域的广泛应用，引发电子技术领域的新一轮变革，为未来电子设备的发展带来全新的机遇与可能。
来源：科研学社公众号
