復旦大學方曉生&鄧勇輝Adv. Mater.：二維無機鈣鈦礦納米片用于半導體氣體傳感器

引言：

二維超薄NbWO₆鈣鈦礦半導體納米片因具有強相互作用d軌道電子、超薄納米片結構、高穩定性、無毒等優異性能，是用于構建具有優異性能的氣敏傳感器的理想材料。該傳感器可以應用于醫療診斷、環境污染檢測和工業生產等各種場景。基于超薄二維NbWO₆鈣鈦礦半導體納米片具有高比表面體積、高載流子遷移率、高柔韌性、高透明度和高生物相容性，該材料是構建下一代柔性可穿戴傳感器的最具潛力半導體材料之一。

成果簡介：

復旦大學方曉生教授和鄧勇輝教授等提出可以將2D NbWO₆納米片簡單地通過固態反應、離子交換和剝離工藝來制備，并應用于氣體檢測。相關論文以題為“Ultrathin 2D NbWO₆?Perovskite Semiconductor based?Gas Sensors with Ultrahigh Selectivity under Low Working Temperature”發表在Advanced Materials上，文章第一作者是王晶博士和任元博士。

圖文導讀：

圖1.?（A-M）二維NbWO₆鈣鈦礦納米片的制備與表征

利用離子插層輔助的液體剝離法制備了全無機二維NbWO₆鈣鈦礦半導體納米片，超薄納米片厚度月為1.5-3.5 nm，具有高比表面積、高結晶度骨架、高載流子遷移率。水分散的NbWO₆呈現出穩定的、透明的淡藍色膠體溶液，在650 nm紅色激光照射下表現出典型的丁達爾效應。原子力顯微鏡（AFM）證實剝離的超薄NbWO₆納米片厚度約為1.5-2.2 nm。所得到的二維鈣鈦礦半導體納米片具有制備簡單、成本低、無毒等特點。HRTEM圖像表明NbWO₆的（110）晶面和（020）晶面沿兩個垂直方向的晶面間距為0.31 nm，選區電子衍射(SAED)圖中清晰的衍射點進一步表明了高結晶度NbWO₆納米片的（110）和（020）晶面。

圖2.?(A?C)氣敏傳感器件的設計，(D?I)氣敏傳感性能測試性能和(J?K)氣敏傳感機理研究。

?n型半導體NbWO₆納米片結構同時具有高比表面積、超薄的厚度（~1.5 nm）、充分暴露的活性位點、豐富的界面活性氧（O^?, O^2?, O₂^?等）和良好的電子傳遞行為，展示出優異的硫化氫氣體傳感性能。二維NbWO₆鈣鈦礦半導體具有高?H₂S選擇性?(S=R_a/R_g=12.5) 是其他8種氣體小分子（CO，CH₃OH，NO₂，CH₄，C₂H₅OH，NH₃，CH₃COCH₃和C₇H₈）的6倍多、高的靈敏度（S=12.5?vs?50 ppm）、低的檢測溫度?(150 °C)、快速的H₂S響應速度(<6 s)、低的檢出限(LOD<0.5 ppm)、和快的響應-恢復時間（6 s/30 s），有望應用于基于人體呼出氣體檢測的口臭和腸胃疾病的非侵入式檢測。通過DFT理論計算從吸附能和電荷遷移等角度在分子層面解釋H₂S氣敏傳感機理及其獲得高選擇性的原因。

小結：總的來說，研究人員通過簡單的煅燒-剝離工藝制備了超薄鈣鈦礦NbWO₆半導體納米片。該傳感器的響應速度快(6秒)，在低工作溫度(150?℃)下完全可逆。這種基于NbWO₆的2D氣體傳感器在低溫下展示了優異的H₂S傳感性能，為食品安全、航空安全和公共衛生領域的氣體污染快速有效檢測提供了新穎、簡單、無毒、低成本的智能傳感器設計靈感。此外，這項工作不僅為二維全無機鈣鈦礦納米片的未開發應用鋪平了道路，而且促進了基于這種類型的鈣鈦礦半導體在環境條件下工作的柔性、透明和可穿戴傳感器的探索。

論文鏈接：Ultrathin 2D NbWO₆?Perovskite Semiconductor based Gas Sensors with Ultrahigh Selectivity under Low Working Temperature. Jing Wang^#, Yuan Ren^#, Hui Liu, Ziliang Li, Xinya Liu, Yonghui Deng*, Xiaosheng Fang*. Adv. Mater.?2021,?2104958. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104958)

本文由王晶供稿。