【儀表網 研發快訊】二甲基二乙烯基硅烷是武茲法生產有機硅乙烯基封頭劑過程中無法避免的副產物，我國是乙烯基封頭劑的主要生產國和出口國，每年都會產生大量二甲基二乙烯基硅烷。目前該副產物尚缺乏成熟的工業利用途徑，大部分被長期儲存，不僅占用倉儲資源，還存在環境泄露與安全生產隱患。同時，硫磺作為石化工業最常見的副產物，盡管已有廣泛用途(例如硫酸的生產)，但其在世界范圍內仍長期處于過剩狀態。
近日，上海科技大學物質科學與技術學院嚴佳駿課題組與紀清清課題組合作，通過反硫化技術，僅用二甲基二乙烯基硅烷與硫磺兩種工業廢料，成功制備出富含硫元素的動態網絡高分子薄膜，該薄膜能夠有效修復單層二硫化鉬場效應晶體管中的硫空位，抑制器件開關遲滯現象，從而顯著提升場效應晶體管的高溫工作性能。相關成果發表于國際知名學術期刊Green Chemistry。
圖1. DMDVS的產生以及反硫化技術的概覽和應用。
硅基交聯劑的引入使所得聚合物展現出區別于傳統反硫化體系的獨特動態性能，研究團隊通過不同的工藝條件實現了對聚合物多樣形貌的精確調控，并通過多樣的分析手段證實了富硫聚合物網絡的生成。實驗發現，不同形貌的聚合物在物理化學性質上存在顯著差異。為獲得可穩定應用的材料，團隊通過后續工藝優化處理，制備出一種可熱加工的富硫網絡，其結構由更短的硫鏈相互連接(圖2)。
圖2. 多種形貌聚合物產生的擬議機理以及聚合物薄膜的動態特性表征。
單層硫化鉬二維器件被認為是潛在的下一代集成電路材料，但是這類材料的高溫穩定性不佳。高溫下硫原子的揮發會導致硫化鉬晶格產生空位，導致場效應晶體管性能下降，具體表現為遲滯窗口展寬、亞閾值擺幅退化等。研究團隊將制備的富硫薄膜涂布在單層二硫化鉬器件表面，發現器件高溫性能得到顯著改善：在150 ℃的遲滯窗口從38 V下降至20 V，亞閾值擺幅從+2.22 V/dec降低至+0.90 V/dec，硫空位濃度的增加量從84%下降至21%，硫空位產生被顯著抑制。(圖3)
圖3. 涂布富硫薄膜的器件電學性能表征以及高溫下器件窗口發生遲滯的機理解釋。
本研究展示了將兩種主要的工業廢棄物——二甲基二乙烯基硅烷和元素硫結合，通過增值轉化制備富硫動態聚合物網絡的過程，真正實現了 “變廢為寶”。 這一成果為低值工業廢棄物到先進功能材料的轉化提供了全新范式。
本工作中，上海科技大學物質學院2024級博士研究生王子霄和2024級博士研究生裘園元為共同第一作者，上海科技大學嚴佳駿教授、紀清清教授為本文的共同通訊作者，上海科技大學為第一完成單位。
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