研究背景

在过去的二十年里，原子级薄的过渡金属二硫化物(TMDCs) 由于其优越的物理、化学、光学和机械性能而引起了人们的极大关注。具体来说，单层和多层二硫化钼(MoS2) 由于其高的固有迁移率、可调控的带隙能(接近硅)和出色的机械灵活性，已经被作为下一代柔性光电子器件的有前途的材料之一进行了广泛的研究。MoS2已经濒临在各种功能器件中的实现和集成，如晶体管、光电探测器和传感器。在这方面，在柔性基底上生产具有所需图案的大面积MoS2薄膜是实现高性能柔性电子器件的关键。
    目前，已经开发了几种合成MoS2薄膜的方法，包括化学气相沉积(CVD)， 物理气相沉积，和原子层沉积。其中，CVD方法被认为在产生高质量的MoS2薄膜方面特别有效，其厚度可以很好地控制。然而，利用CVD生长的MoS2薄膜进行实际应用的主要障碍是，需要使用标准的光刻或蚀刻工艺来对MoS2进行图案化，而这一工艺存在图案化区域有限和可能的污染问题。此外，图案化的MoS2需要通过多步骤的复杂工艺转移到目标基材上，这对于制造高效率的大规模电子器件来说是不可行的。除了上述这些方法，还有其他一些合成MoS2薄膜的方法，如激光定向图案化、光学光刻和喷墨打印。在这种情况下，喷墨打印作为一种溶液处理技术，因其通用性、成本效益和可扩展性而脱颖而出。然而，生产可喷墨打印的油墨需要耗费时间和复杂的剥离和配制过程。此外，喷墨打印方法沉积了堆积的MoS2纳米片，而没有生成连续的MoS2薄膜的能力，这往往会导致器件的可重复性差，器件性能不理想。
研究成果大面积图案化MoS2的合成被认为是实现基于MoS2的高性能柔性电子器件的原则基础。然而，尽管在促进实际应用方面取得了巨大的进展，但将MoS2薄膜图案化并转移到目标柔性基底上，需要传统的多步骤光刻图案化和转移过程。在此，西北工业大学黄维院士& 王学文教授团队报告了一种结合喷墨打印和热退火直接合成大规模MoS2图案的方法。准备了一种最佳的前体墨水，可以在聚酰亚胺薄膜上沉积任意的图案。通过引入Ar/H2的气体环境，在350°C下进行热处理，使图案的前体发生原位分解和结晶，从而形成MoS2。没有复杂的过程，图案化的MoS2直接在聚合物基底上获得，表现出卓越的机械灵活性和耐用性(在 10000次弯曲循环中阻力变化约2%)以及出色的化学稳定性，作者将其归因于生成的连续和薄的微结构以及它们与基底的强粘性。进一步采用这种方法来制造各种对身体运动和水分不敏感的柔性传感设备，包括温度传感器和生物电位传感系统，用于实时、连续监测皮肤温度、心电图和肌电信号。相关研究以“Large-scale Ultra-robust MoS2 Patterns Directly Synthesized on Polymer Substrate for Flexible Sensing Electronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 通过使用喷墨打印和退火过程，提出了一种在聚合物基材上直接合成大面积MoS2图案的新策略。2. 利用超薄PI薄膜上的MoS2图案作一系列传感器的传感材料，如温度传感器、湿度传感器和生物电位传感系统，能够在弯曲甚至折叠的条件下保持强劲的性能。

图文导读

Fig. 1. Illustration of synthesizing MoS2 patterns on polymer substrates. 

Fig. 2. Microstructure， physical， and chemical properties of the MoS2 films.

Fig. 3. Electrical and mechanical properties of the annealed MoS2 films.

Fig. 4. MoS2-based temperature sensors.

Fig. 5. MoS2-based sensing pads for biopotential signals collection.

总结与展望

在这项工作中，作者提出了一种新的方法，包括前体墨水的喷墨打印和打印图案的退火，以制造大面积的基于MoS2的可穿戴传感器。引入了H2和Ar的混合气氛，将退火温度从500°C降低到350°C，从而能够在PI基底上直接合成图案化的MoS2，而无需额外的光刻图案和转移过程。所生产的MoS2薄膜表现出卓越的机械灵活性和稳定性，能够在10000个弯曲周期内保持导电性，弯曲半径最小为4 mm。所制造的传感器能够以高灵敏度(-0.98±0.03% °C-1)和快速响应(约 1.4 s)检测皮肤温度场。此外，具有多层结构的MoS2垫可以精确地获取人体的各种生物电信号，如心电图和肌电图。更重要的是，所记录的信号在运动过程中甚至在折叠条件下都能保持其形状和强度，这对于推进人类运动过程中的实时和连续健康监测至关重要。
文献链接Large-scale Ultra-robust MoS2 Patterns Directly Synthesized on Polymer Substrate for Flexible Sensing Electronics

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202207447