Adv. Mater.：超靈敏的薄層MoS2壓力感測器

【引言】

壓力傳感器在許多領域都有著相當重要的用途，例如汽車、飛行器、鉆井業及醫療設備等。目前，微型光纖Fabry–Perot（F-P）傳感器因其抗電磁干擾性好、響應快速及可遙感性引起很多科學家的研究興趣。F-P傳感器通常通過附上一薄且靈敏的膜片于分裂的光纖一端，形成一個非本征的F-P干涉結構。而最主要的便是選擇合適的材料用于此類薄膜，超薄且機械強度高對于實現F-P的高靈敏性非常重要。

目前為止，F-P傳感器的膜片材料有二氧化硅膜、聚合物膜及金屬膜（如Ag），但這類材料的厚度通常在100nm到毫米尺度，靈敏度也不高。因此，要提高F-P傳感器的性能，打破目前的限制，就需要利用傳統加工工藝獲得超薄的膜片。

【成果簡介】

北航的李成、賓夕法尼亞大學的Mauricio Terrones和清華的呂瑞濤（共同通訊作者）等人通過兩步法（包括金屬的電子束蒸鍍及隨后的大氣壓下的硫化過程）獲得了厚度可調的薄層MoS₂薄膜。MoS₂薄膜也是近年來研究不斷深入的材料，其特性可用于光伏領域、析氫反應電極及光電極等領域。而此前主要是限于難以利用有效的方法制備大面積2D尺度的MoS₂薄膜。通過兩步法，研究團隊制備的MoS₂薄膜了提高F-P傳感器的性能，傳感器表現出極高靈敏度（89.3nm Pa^-1）近于同步的壓力偏轉響應，這較傳統的膜片材料（二氧化硅、Ag薄膜等）的性能要高至少3個數量級。這類F-P傳感器將為2D材料應用于生物醫學和環境等領域擴寬新渠道。

【圖文導讀】

圖一、MoS2薄膜的制備與表征

(a) 大面積MoS₂薄膜的生長與轉移示意圖

(b-e) 2nm-D MoS₂薄膜的(b) 光學顯微，(c) AFM，(d,e)TEM圖，(d)的內嵌圖為SAED花樣圖。

圖二、F-P傳感器的組裝與表征

(a) F-P傳感器的工作機制示意圖

(b) F-P傳感器的照片。內嵌圖表示了將2nm-D MoS₂薄膜轉移至F-P空腔的一端

(c) 3D AFM圖像。(b)和(c)箭頭所指表示的是AFM探針掃描方向

(d) 覆蓋于2nm-D MoS₂薄膜下的陶瓷插芯的低倍率SEM圖，不同的顏色表現出不同的成分，深黃色區域為MoS₂薄膜

(e) (d)圖所選區域的高倍SEM圖

圖三、對F-P傳感器性能進行測試

(a) F-P傳感器測試系統的示意圖

(b-c) 11 kHz下，比較參比傳感器(b)和2nm-D F-P傳感器的輸出電壓及相關的正弦曲線。

(d) 進行擬合，獲得參比傳感器與F-P傳感器輸出電壓的關系

圖四、F-P傳感器性能靈敏性相關測試

(a) 5V，不同頻率下F-P傳感器的輸出電壓

(b) 11kHz下，不同聲壓下F-P傳感器的輸出電壓

(c-d) 不同聲壓下，(c) 2nm-D MoS₂和(d) 5nm-D MoS₂膜片的變形量。實驗結果得到很好的線性擬合

(e) 比較不同膜片材料的靈敏性。

【小結】

通過兩步法合成出具不同厚度的薄層MoS₂薄膜，成分和結構也都非常均一。將其轉移至陶瓷插芯的一端就可得到高性能的F-P傳感器，并表現出高靈敏性。研究結果為2D材料應用開辟了新道路，同時也會推進可用于遠程低壓檢測、苛刻的太空環境等的高靈敏傳感器的制備。

文獻鏈接：Ultrasensitive Pressure Detection of Few-Layer MoS2（Adv. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201603266）

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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