4. TMDs与其它二维材料：MoS₂、WS₂、h-BN、黑磷的制备方法及关键特性对比

做印刷电子这些年，我接触最多的二维材料就是TMDs家族和它们的几个“邻居”。说实话，每种材料都有自己的脾气。MoS₂、WS₂、h-BN、黑磷这四种，算是目前研究最透、应用潜力最大的。今天咱们就掰开揉碎了聊聊它们的制备方法和关键特性。

4.1 先说说TMDs家族：MoS₂与WS₂

TMDs，全称过渡金属硫族化合物。结构上就是一层过渡金属原子夹在两层硫族原子中间，像三明治。MoS₂和WS₂是这里面最典型的代表。

4.1.1 MoS₂的制备方法

MoS₂的制备，我个人最推荐的是液相剥离法。为什么？因为它跟印刷工艺最搭。

• 液相剥离法：把块体MoS₂粉末扔进溶剂里，用超声或者剪切力把它撕成单层或少层。溶剂我习惯用NMP（N-甲基吡咯烷酮）或者IPA（异丙醇）与水混合液。浓度一般能到1-2 mg/mL。
• 化学气相沉积（CVD）：想要高质量单晶薄膜？CVD是首选。用MoO₃和S粉在高温下反应，在蓝宝石或SiO₂/Si衬底上生长。温度大概在650-850°C。嗯，这里要注意，CVD出来的薄膜转移是个麻烦事。
• 锂离子插层法：这个方法效率高，但风险也大。把锂插进MoS₂层间，遇水剧烈反应产生氢气，把层撑开。我曾经有一次没控制好反应时间，结果样品全变成了纳米颗粒，教训深刻。

4.1.2 WS₂的制备方法

WS₂跟MoS₂很像，但制备难度稍微大一点。因为W原子比Mo重，反应活性低一些。

• CVD法：用WO₃和S粉反应，温度需要更高，大概800-950°C。我做过一批WS₂薄膜，发现生长时间对厚度影响特别敏感，多5分钟就从单层变成了三层。
• 水热法：把钨源和硫源放在高压釜里，180-220°C反应12-24小时。这个方法适合批量生产，但结晶度不如CVD。
• 机械剥离：用胶带从块体WS₂上反复撕。实验室研究用没问题，但印刷工艺基本不考虑，效率太低。

4.2 绝缘体中的明星：h-BN

h-BN，六方氮化硼，结构跟石墨烯一模一样，但颜色是白的，所以也叫“白石墨烯”。它是绝缘体，带隙约5.9 eV。

4.2.1 h-BN的制备方法

h-BN的制备，说实话比TMDs难。因为B-N键很强，剥离起来费劲。

• 液相剥离法：溶剂我推荐用异丙醇或者水+表面活性剂。超声时间要长，一般8-12小时。浓度能到0.5-1 mg/mL就算不错了。
• CVD法：用氨硼烷（NH₃-BH₃）作为前驱体，在铜箔或镍箔上生长。温度900-1000°C。我记得有一次做CVD，降温速率太快，结果薄膜全是裂纹。
• 球磨法：把h-BN粉末和钢球一起在罐子里高速旋转。这个方法能大量生产，但会引入杂质，片径也小。

4.3 黑磷：二维材料中的“异类”

黑磷，BP，这材料很有意思。它有直接带隙，而且带隙随层数可调，从0.3 eV（块体）到2.0 eV（单层）。但它的致命弱点是——怕水怕氧。

4.3.1 黑磷的制备方法

黑磷的制备，我建议新手先别碰。它太娇贵了。

• 机械剥离：从黑磷晶体上用胶带撕。操作要在手套箱里进行，氧气和水含量都控制在0.1 ppm以下。撕下来的样品要立刻用PMMA或者h-BN封装。
• 液相剥离法：溶剂必须用脱气的NMP或者DMSO，整个过程要避光、隔氧。超声功率不能大，否则片径会碎。我试过用探头超声，结果溶液温度升高，黑磷全降解了。
• 化学气相传输：用红磷、锡、碘作为原料，在真空石英管里加热到600-650°C，生长黑磷晶体。这个过程要持续好几天，产量也低。

4.4 四种材料关键特性对比

好了，咱们把四种材料放在一起比一比。我整理了一个表格，方便你快速查阅。

材料	带隙 (eV)	载流子迁移率 (cm²/V·s)	稳定性	制备难度	印刷适用性
MoS₂	1.8 (单层)	10-200	良好	中等	高
WS₂	2.1 (单层)	10-100	良好	中等偏高	高
h-BN	5.9	绝缘体	优秀	中等	中等
黑磷	0.3-2.0 (可调)	100-1000	差	高	低

你想想看，MoS₂和WS₂是印刷电子的主力军。h-BN适合做介电层或者封装层。黑磷虽然性能好，但稳定性是硬伤，目前还停留在实验室阶段。

4.5 知识体系总览

下面这张图，是我自己画的四种材料的制备方法与应用场景的关系图。你看一眼就能明白它们各自的位置。

这张图把四种材料的制备方法和应用场景串起来了。你看，MoS₂和WS₂的制备方法最多样，应用也最广。h-BN偏重绝缘和封装。黑磷虽然性能亮眼，但制备难度高、稳定性差，目前还不是印刷工艺的首选。