【引言】

傳統(tǒng)的范德基于金屬氧化物半導體（MOS）的氣體傳感器具有選擇性差的缺陷，并且工作溫度高，范德通常在200–400°C范圍內(nèi)，范德這會導致高功耗，范德降低傳感器的范德壽命和耐久性。盡管一些工作已經(jīng)報道了MOS傳感器在室/低溫時的范德傳感性能，但是范德這些傳感器仍然面臨著靈敏度低、響應恢復速度緩慢和恢復不完全等不足之處。范德

MoS₂等TMDs二維材料具有高比表面積、范德表面暴露原子多、范德表面活性較高、范德載流子濃度易于調(diào)控等優(yōu)點，范德這些特性使MoS₂在制備高性能室溫氣體傳感器中占據(jù)優(yōu)勢。范德目前，范德基于MoS₂薄膜或納米片的范德氣體傳感器已經(jīng)被用于檢測各種氣體，例如一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）、氨（NH₃）和三乙胺（TEA），但是受敏感層材料結(jié)構(gòu)的影響，檢測靈敏度和選擇性仍有待提升。目前還沒有研究嘗試通過人工合成具有不同半導體性質(zhì)的MoS₂薄膜來控制傳感器的性能。因此，如何提高MoS₂氣體傳感器的室溫檢測靈敏度和恢復性，并且闡明其工作機理，對于發(fā)展高性能的室溫傳感器和相關(guān)領(lǐng)域的研究，具有重要的科學意義。

近年來，基于二維材料構(gòu)筑而成的范德瓦爾斯p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)，及其在納米電子器件中的應用，受到越來越多的關(guān)注。由于原子級厚度，二維范德瓦爾斯p-n異質(zhì)結(jié)的載流子濃度、能帶結(jié)構(gòu)可以通過各種手段，如電、磁、光等進行有效調(diào)制，為發(fā)展高性能氣體傳感器提供了新的可能性。

【成果簡介】

???近日，青島大學張軍課題組和德國洪堡大學的Nicola Pinna教授合作在Adv. Funct. Mater.上發(fā)表了一篇題目為“MoS₂ Van der Waals p–n Junctions Enabling Highly Selective Room-Temperature NO₂ Sensor”的文章報告。該工作采用化學氣相沉積法（CVD）和W摻雜的過氧化鉬溶膠-凝膠軟化學合成，分別制備n型和p型MoS₂薄膜，并通過后續(xù)轉(zhuǎn)移法構(gòu)筑了二維p-n結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)MoS₂p-n結(jié)的電阻對ppb濃度的NO₂非常敏感。實驗表明，p-n結(jié)傳感器在室溫下對NO₂具有優(yōu)異的靈敏度和選擇性；對20ppm NO₂的靈敏度比p型MoS₂傳感器提高了60倍。此外，在紫外光激發(fā)下實現(xiàn)了8 ppb的極低LOD和30s內(nèi)的完全恢復性能。優(yōu)異傳感特性來自于分子吸附對p-n結(jié)勢壘高度的調(diào)節(jié)。這種通過構(gòu)筑二維范德華結(jié)來提升檢測靈敏度和選擇性的方法，為開發(fā)高性能室溫傳感器開辟了新的途徑。

【圖文簡介】

圖1n型MoS₂氣體傳感器對TEA的性能研究

a） 傳感器在室溫下對10 ppm各種氣體的選擇性；

b） 傳感器對不同濃度TEA的瞬變；

c） 對0.2、0.5和1 ppm TEA的瞬態(tài)響應恢復曲線；

d） 響應隨TEA濃度變化的擬合曲線；

e） 50ppm TEA的動態(tài)響應恢復曲線；

f） 氣體傳感器對50ppm TEA的穩(wěn)定性。

圖2 ?p型MoS₂氣體傳感器對NO₂的性能研究

a） 傳感器在室溫下對10ppm各種氣體的選擇性；

b） 傳感器對不同濃度二氧化氮的瞬態(tài)響應；

c） 對低濃度NO₂的瞬態(tài)響應恢復曲線；

d） NO₂濃度對傳感器響應的擬合曲線；

e） 50 ppm NO₂的動態(tài)響應恢復曲線；

f） 在395nm紫外光照射下，對不同濃度的NO₂進行瞬態(tài)傳感；

g） 395nm紫外輻射下50ppm二氧化氮的動態(tài)響應恢復曲線；

h） 傳感器在395nm紫外輻射下對5ppm二氧化氮的穩(wěn)定性。

圖3 MoS₂p-n結(jié)NO₂氣體傳感器的性能

a） MoS₂p-n結(jié)器件的結(jié)構(gòu)模型；

b） MoS₂p-n結(jié)的相應光學圖像；

c） 感測裝置對不同濃度二氧化氮的感應瞬變。插圖為低濃度NO₂下的瞬態(tài)響應恢復曲線；d） 比較p型MoS₂和MoS₂p-n結(jié)氣體傳感器對20 ppm NO₂的動態(tài)響應恢復曲線；

e） MoS₂p-n結(jié)氣體傳感器在紫外光照射下對不同20 ppm目標氣體的氣敏響應；

f） 氣體傳感器在395nm紫外輻射下對5ppm二氧化氮的穩(wěn)定性；

g） MoS₂p-n結(jié)氣體傳感器在紫外光照射下的長期穩(wěn)定性。

圖4?機理解釋

a, c, e）MoS_{2 ?}p-n, 紫外線照射下的MoS_{2 ?}p-n結(jié)，以及紫外線照射下暴露于NO2蒸氣的MoS_{2 ?}p-n結(jié)的敏感示意圖；

b, d, f）相對應的能帶結(jié)構(gòu)圖。

【小結(jié)】

總之，研究者用不同的方法制備了n型和p型MoS₂，并將它們組合成氣體傳感器。研究發(fā)現(xiàn)，n型MoS₂薄膜對TEA具有很高的靈敏度，檢測限為0.1 ppm，而p型MoS₂器件對NO₂有很快的響應。然而，這兩種傳感器都對其他氣體具有交叉敏感性，并且表現(xiàn)出緩慢和不完全的恢復。該研究同時也提出了一種新穎的二維p-n結(jié)氣體傳感器，并證明該傳感器在UV輻照下對NO₂具有獨特的選擇性，對NO₂二氧化氮的靈敏度提高了60倍。此外，p-n結(jié)傳感器還具有8 ppb的極低檢測限和在30s內(nèi)實現(xiàn)完全快速的恢復性能。這一研究工作展示了一種全新的傳感器構(gòu)筑策略，為二維異質(zhì)結(jié)的高性能低功耗室溫氣體傳感器的簡單制造和性能優(yōu)化提供了一個良好范例。

文獻鏈接:MoS₂Van der Waals p–n Junctions Enabling Highly Selective Room-T emperature NO₂Sensor, 2020, Adv. Funct. Mater. , DOI: 10.1002/adfm.202000435.