ACS Nano：双栅结构的应变工程，用于具有石墨烯电极的高柔性和透明MoS2薄膜晶体管

成果介绍

石墨烯和MoS₂是一种二维材料，由于其原子薄结构、高机械柔韧性和高透明度，在未来的柔性电子器件中具有重要的潜力。与其他沟道材料相比，MoS₂的高比表面积增强了双栅极结构中的栅极调制。然而，在弯曲条件下，由于拉伸应变，迁移率和导通电流增加，而阈值电压（V_th）经历负移，I_ON/I_OFF电流比显著降低。

有鉴于此，近日，韩国科学技术院Sung-Yool Choi和Seunghyup Yoo（共同通讯作者）等提出了一种保留双栅极结构优势的策略，包括与单栅极器件相比，导通电流的显著增强，以及改进的I_ON/I_OFF，亚阈值摆幅和跨导，即使在柔性平台上也是如此。通过设计中性平面，本文将MoS₂沟道附近的拉伸应变从0.318降低到0.008%，弯曲半径为0.5 mm，并通过COMSOL Multiphysics模拟验证了这一点。本文的柔性MoS₂薄膜晶体管具有石墨烯电极，即使在恶劣的弯曲条件下也能保持优异的电学性能，弯曲半径为0.5 mm时I_ON/I_OFF超过10⁸，V_th移动保持在-0.3 V以内。这些器件表现出出色的耐久性，承受超过16,000次弯曲循环而没有明显的转移特性退化。最后，该器件在550 nm处具有74.7%的高透射率，使其非常适合柔性和透明的电子技术。

图文导读

图1. （a）具有MoS₂沟道和石墨烯电极的DG TFT结构的示意图。（b）MoS₂、石墨烯和具有石墨烯电极的DGGC MoS₂ TFT的光学显微镜图像。（c）DGGC MoS₂ TFT栅极堆叠区域的TEM横截面图像和EDS成像。（d-f）DG、BG和TG扫描模式的转移特性、跨导特性和输出特性的比较。

图2. （a-c）高分辨XPS光谱。（d&e）MoS₂的拉曼光谱和PL光谱。（f）MoS₂/石墨烯异质结的拉曼光谱。（g）顶部石墨烯/顶部Al₂O₃/MoS₂/底部Al₂O₃/底部石墨烯堆叠照片。（h）MoS₂、石墨烯、Al₂O₃和顶部石墨烯/顶部Al₂O₃/MoS₂/底部Al₂O₃/底部石墨烯堆叠的透射光谱。

图3. （a）弯曲条件下柔性DGGC MoS₂ TFT的照片和柔性DGGC MoS₂ TFT结构的示意图。（b）使用COMSOL Multiphysics模拟计算了R_c为1.0 mm时柔性TFT的应变。（c-e）平坦和弯曲半径下BG扫描模式、TG扫描模式和DG扫描模式的转移特性。（f-k）μ_FE、V_th、I_ON/I_OFF电流随R的变化。

图4. （a）具有聚对二甲苯层的DGGC MoS₂ TFT栅极堆叠区域的SEM图像。（b）利用COMSOL Multiphysics模拟计算中性面工程后DGGC MoS₂ TFT在R_c为1.0 mm处的应变。（c）基于R_c的石墨烯（TG）、MoS₂（沟道）和石墨烯（BG）在中性面工程前后的应变。（d-i）柔性DGGC MoS₂ TFT在平坦和弯曲半径（R_c=3.5、2.5、1.5和1.0 mm）下DG扫描模式和16000次弯曲循环（R_c=3.5 mm）下的转移特性及μ_FE、V_th和I_ON/I_OFF比的变化。

图5. （a）DGGC MoS₂ TFT阻性负载反相器电路的示意图。（b&c）不同V_DD弯曲环境下具有阻性负载（1 MΩ）的DGGC MoS₂反相器的电压转移和增益特性。（d）NOR门电路的示意图。（e&f）基于TG偏置的BG扫描的转移特性。（g&h）基于TG偏置的V_th变化和NOR门的电压转移特性。（i）NOR门在平坦和弯曲状态下的输出特性。

文献信息

Strain Engineering of a Dual-Gate Structure for Highly Flexible and Transparent MoS₂ Thin-Film Transistors with Graphene Electrodes

（ACS Nano, 2025, DOI:10.1021/acsnano.5c11691）

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c11691