Adv. Funct. Mater. : 基于MoS2范德瓦爾斯p-n結的高選擇性室溫NO2傳感器

【引言】

傳統的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，通常在200–400°C范圍內，這會導致高功耗，降低傳感器的壽命和耐久性。盡管一些工作已經報道了MOS傳感器在室/低溫時的傳感性能，但是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。

MoS₂等TMDs二維材料具有高比表面積、表面暴露原子多、表面活性較高、載流子濃度易于調控等優點，這些特性使MoS₂在制備高性能室溫氣體傳感器中占據優勢。目前，基于MoS₂薄膜或納米片的氣體傳感器已經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構的影響，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，對于發展高性能的室溫傳感器和相關領域的研究，具有重要的科學意義。

近年來，基于二維材料構筑而成的范德瓦爾斯p-n異質結構，及其在納米電子器件中的應用，受到越來越多的關注。由于原子級厚度，二維范德瓦爾斯p-n異質結的載流子濃度、能帶結構可以通過各種手段，如電、磁、光等進行有效調制，為發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，并通過后續轉移法構筑了二維p-n結。研究發現MoS₂ p-n結的電阻對ppb濃度的NO₂非常敏感。實驗表明，p-n結傳感器在室溫下對NO₂具有優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，在紫外光激發下實現了8 ppb的極低LOD和30s內的完全恢復性能。優異傳感特性來自于分子吸附對p-n結勢壘高度的調節。這種通過構筑二維范德華結來提升檢測靈敏度和選擇性的方法，為開發高性能室溫傳感器開辟了新的途徑。

【圖文簡介】

圖1 n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的動態響應恢復曲線；

f） 氣體傳感器對50ppm TEA的穩定性。

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響應；

c） 對低濃度NO₂的瞬態響應恢復曲線；

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進行瞬態傳感；

g） 395nm紫外輻射下50ppm二氧化氮的動態響應恢復曲線；

h） 傳感器在395nm紫外輻射下對5ppm二氧化氮的穩定性。

圖3 MoS₂ p-n結NO₂氣體傳感器的性能

a） MoS₂ p-n結器件的結構模型；

b） MoS₂ p-n結的相應光學圖像；

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下的瞬態響應恢復曲線；d） 比較p型MoS₂和MoS₂ p-n結氣體傳感器對20 ppm NO₂的動態響應恢復曲線；

e） MoS₂ p-n結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二氧化氮的穩定性；

g） MoS₂ p-n結氣體傳感器在紫外光照射下的長期穩定性。

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，以及紫外線照射下暴露于NO2蒸氣的MoS_{2 ?}p-n結的敏感示意圖；

b, d, f）相對應的能帶結構圖。

【小結】

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。研究發現，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結傳感器還具有8 ppb的極低檢測限和在30s內實現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筑策略，為二維異質結的高性能低功耗室溫氣體傳感器的簡單制造和性能優化提供了一個良好范例。

文獻鏈接: MoS₂ Van der Waals p–n Junctions Enabling Highly Selective Room-T emperature NO₂ Sensor, 2020, Adv. Funct. Mater. , DOI: 10.1002/adfm.202000435.