低功耗设计是保障新一代信息器件与电子系统高效、可靠、长时运行的基础。因此，新型低功耗电子器件对人工智能、智能化医疗和物联网 (IoT)的发展至关重要。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想选择。然而，基于二维材料的柔性传感器如何实现超低功耗下的微应变检测仍具有挑战。近日，云顶集团7610官方网站黄维院士王学文教授课题组与南洋理工大学刘政教授合作，发现基于双层树枝状MoS2材料的电子器件具有较低的接触电阻。研究团队在深入研究载流子的传输机理之后，利用这种低接触电阻特性，实现了柔性传感器对微应变在超低功耗条件下的精准监测。
近年来，二维过渡金属二硫化物（2D TMDs）由于可调的非零带隙被证明在受到外界刺激时具有可观的电学性能变化。然而，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限制，传感器件的性能包括灵敏度、检测精度、循环稳定性，特别是功耗方面受到很大的影响。研究团队提出了通过大面积边缘接触的方法降低金属电极与二维MoS2之间接触电阻从而实现超低功耗柔性传感器的新方法。首先，研究团队通过第一性原理计算分析了金属电极与半导体材料之间不同接触方式（顶部接触与边缘接触）的静电势分布。如红色虚线所示，界面最高点与费米能级之间的距离为隧道势垒高度(ϕt)。通过比较发现顶部接触的电势高于费米能级。模拟的结果证实了顶部接触的界面势垒高于边缘接触。
图1. (A) 传统的vdWs 顶部接触电学器件示意图；(B)顶部接触与边缘接触组合的器件示意图；(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接触和组合接触的电子注入路径 (A → B → C → D → E) 和 (A → F → G)；(E) Au-MoS2组合接触的侧视图（插图），以及沿垂直方向的相应静电势分布；(F) Au-MoS2组合接触的俯视图（插图），以及沿水平方向的相应静电势分布。
研究团队使用氯化钠辅助的化学气相沉积方法，并采用了套小管以及限域的方法成功合成了大面积的树枝状双层MoS2材料。通过表征证明了所合成的材料具有大面积的枝晶结构和高度的均匀性。在光学响应研究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，表明它们均为层状MoS2纳米结构。树枝状MoS2的拉曼峰和光致发光(PL) 峰强度明显高于底层MoS2，表明其带隙相较于底层MoS2显著减小（Δ=0.045 eV）。扫描开尔文探针显微镜(SKPM)研究表明，树枝状双层MoS2的表面电位高于单层MoS2。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和选定区域电子衍射(SAED)图像显示，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。上述表征结果意味着第二层树枝状MoS2能够在电子器件中实现电极与材料之间的大面积边缘接触。
图2. (A) 通过CVD合成树枝状双层MoS2的示意图，插图为合成产物的示意图；(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，显示生长在单层MoS2上的典型树枝状双层，比例尺：500 nm；(I) 单层和双层边界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的选取电子衍射；(J，K) 为图I中用白色虚线方块1和2表示的区域的原子分辨率的HAADF-STEM图像分别显示了单层MoS2和双层MoS2的原子图像，比例尺：0.5 nm；(L) 原子STEM-ADF 图像，该图像描绘了具有S之字形边缘的2H相位，比例尺：0.5 nm；(M) 为与(L) 中的结构相对应的原子模型包括其横截面图。
为了实现高质量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材料无损地转移到目标基底上。研究团队开发了一种PS/PMMA辅助转移方法。该转移方法的过程如下：首先将PMMA涂覆到待转移的树枝状MoS2表面，在切割掉PMMA边缘后，旋涂另一种聚合物(PS)，并在加热台上烘干。然后在有机膜/MoS2/基底的边缘滴加去离子水，利用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。接下来将薄膜覆盖到目标基底上，并在热台上使薄膜铺展均匀，贴合紧密。最后使用丙酮将聚合物膜去除干净。与传统的强碱刻蚀法相比，该转移方法在二维TMDs材料转移中可以显著降低材料损伤、降低杂质元素引入，同时能够完全去除生长过程中残余的NaCl。这种方法也允许将纳米材料完整无损地转移到不同的基底上。研究团队使用这种转移方法，将MoS2薄膜材料成功地从生长基底表面转移到其他的SiO2/Si基底和PET基底上。
图3. (A) PS/PMMA辅助转移树突状双层MoS2流程图；(B-D) 转移前后MoS2在不同基底上的光学图像，比例尺: 20 μm。
进一步地，研究团队通过传输长度法（TLM）研究了Au电极与树枝状双层MoS2之间的接触电阻（Rc）。通过设计五个不同长度的沟道来测量器件的对应总电阻（Rtot），拟合计算发现树枝状双层MoS2的接触电阻为5.4 kΩ·μm，显著低于非树枝状单层MoS2的接触电阻（907 kΩ·μm）。研究团队认为出现这种情况的原因是树枝状结构大大增加了Au电极与MoS2之间的边缘接触面积，从而提高了其电学性能。研究团队测量了温度依赖的输出特性，结果显示电子器件在低温下虽然表现出一定的肖特基接触特性，但最终拟合结果表明肖特基势垒约为14.5 meV，显著低于单层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稳定性也得到提高。
图4. (A) 用于接触电阻测试的MoS2器件示意图; (B) 测量不同通道长度的总电阻(Rtot)，用拟合曲线来计算Rc；(C) 和(D) 使用TLM方法提取树枝状MoS2器件的接触电阻Rc；(E) 和(F) 提取单层MoS2的接触电阻；(G) 树状双层MoS2FET器件在T= 100到220 K范围内的I-V曲线；(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截距值提取肖特基势垒ΦB。
基于树枝状双层MoS2的低接触电阻特性，研究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研究。该传感器在不同应变长度下的电学信号变化显示出其检测限为0.04%，并具有较高的稳定性。在功耗研究中，传感器在1 V到1 mV的不同加载电压下均表现出较高的微应变分辨率，尤其在1 mV的加载电压下，电响应区分度同样保持较高的水准。计算结果表明传感器在1 mV工作电压下的平均功耗约为33 pW，在10 mV工作电压下的平均功耗为8 nW。此外传感器能够准确记录人体脉搏波信号，在单个脉冲周期内可以清楚地识别入射波(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实现了准确、实时的微应变监测，为柔性低功耗健康监测器件的制备提供了新的途径。
图5. (A) 柔性MoS2应变传感器在上弯曲下的电响应；(B) 电学响应和GF与应变量的关系；(C) 传感器在上下弯曲状态下的响应；(D) 附着在手腕上的传感器在不同弯曲角度下的响应；(E) ΔR/R(%)在1 V ~ 1 mV加载电压下对不同程度应变的响应；(F) 10 mV电压下，传感器响应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) 贴附到人体喉咙的柔性应变传感器的声音识别。
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
团队介绍
黄维院士团队王学文教授课题组围绕特种柔性感知材料与器件开展研究，已在Nat. Commun. （1篇）、Sci. Adv.（1篇）、Adv. Mater.（9篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Research（3篇）等国际权威学术期刊发表学术论文60余篇，同行引用8500余次。课题组获授权中国发明专利15项、美国专利1项。相关研究成果被新华社、中央广播电视总台、《科技日报》、《中国科学报》等多家主流媒体报道。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省自然科学基金，以及国家留学基金委奖学金等经费的支持。
关于InfoMat
《信息材料（英文）》（InfoMat）是由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办的国产金色OA学术期刊，聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究，创刊主编为李言荣院士。
● 国产金色OA英文期刊
● 影响因子22.7；CiteScore37.7
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● 收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD、CAS、INSPEC等数据库
● 2022、2023年连续入选中国最具国际影响力学术期刊（Top5%）
● 2021、2022、2023年连续三年获评已进入世界期刊TOP5%
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（来源：柔性电子研究院；审核：王学文）
