Adv. Mater. : 超靈敏二硫化鉬濕度傳感器陣列研究進展

【引言】

二維材料由于其超高的表體比、優異的機械性、柔性透明等特性而在濕度傳感器領域顯示了巨大的應用前景。以二硫化鉬為代表的過渡金屬硫屬化物由于其優異的電流開關比、遷移率等特性為其在電子學器件中的應用提供了可能。由于二硫化鉬本身是一種N型半導體，因此當其表面吸附水分子時，相當于對其進行了P型摻雜，其電學性質會表現出相應的變化。現階段對二硫化鉬濕度傳感器的研究主要受制于加工過程本身引入的殘膠對材料表面的污染，從而影響了其對水分子的吸附導致靈敏度不高或響應時間過長等問題。因而如何得到具有高靈敏的二硫化鉬濕度傳感器成為制約其應用的最主要原因。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所趙靜博士所在的孫其君研究組和中科院物理所張廣宇研究組（共同通訊作者）等人基于利用金剝離方法加工得到的具有干凈表面的二硫化鉬場效應晶體管能夠靈敏感知外界濕度變化，得到了一種具有超高靈敏度的二硫化鉬濕度傳感器。由于水分子的摻雜作用，隨著濕度地增加，器件的電阻有明顯的降低，當相對濕度從0%變化至35%時，電阻有近10⁴的增加，且遷移率和電流開關比也隨著濕度的增加線性減小。除了具有超高靈敏度外，由于對水分子的吸附是純粹的物理吸附，因此可以很容易地對器件進行脫吸附，相應的響應時間和恢復時間分別為10s和60s。得益于二硫化鉬的均勻成膜性，這種具有優異性能的二硫化鉬濕度傳感器可以加工成一系列的器件陣列，從而對外界不同濕度的空間分布起到定位作用。該成果以“Highly Sensitive MoS? Humidity Sensors Array for Non-contact Sensation”為題于2017年7月11日發表在期刊Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖一：二硫化鉬濕度傳感器的光學表征

a)二硫化鉬場效應晶體管陣列的加工流程示意圖。

b) 二硫化鉬器件的光顯和原子力顯微鏡圖。

c) 不同濕度環境下二硫化鉬的拉曼光譜變化。

d) 不同濕度環境下二硫化鉬的熒光光譜變化。

圖二：不同濕度環境下二硫化鉬場效應晶體管的電學性能

a)在相對濕度為0%情況下二硫化鉬器件的輸運特性。

b) 背柵為80V的情況下二硫化鉬場效應晶體管隨不同濕度變化的輸出特性曲線。

c) 源漏電壓為1V的情況下，隨濕度從0%增加到35%，二硫化鉬器件的轉移特性曲線。

d) 柵壓為80V時電阻隨濕度增加的變化情況。

e) 多個器件遷移率和電流開關比隨濕度增加時的變化統計結果。

f) 隨著濕度增加二硫化鉬場效應晶體管的截止電壓從負電壓偏向正電壓。

圖三：二硫化鉬濕度傳感器的時間響應特性

a)不同濕度環境下二硫化鉬濕度傳感器的實時響應。

b)濕度脈沖為10%情況下二硫化鉬濕度傳感器的動態響應。

c)二硫化鉬濕度傳感器的響應時間和恢復時間分別為10s和60s。

d)不同濕度環境下二硫化鉬濕度傳感器的保持特性。

圖四：集成二硫化鉬濕度傳感器件陣列對外界濕度環境的空間響應

a)二硫化鉬濕度傳感器件陣列的光顯照片。

b)當手指逐漸靠近濕度傳感器時器件電阻隨距離改變的變化情況。

c)左圖為當手指靠近二硫化鉬器件陣列3mm時對應的各個器件電阻的變化，右圖為相應的濕度分布。

d)當形狀為“N”的物體靠近二硫化鉬器件陣列時左圖反應了各器件電阻的變化，右圖對應相應濕度的分布。

e)在柔性PDMS襯底上二硫化鉬濕度傳感器件陣列的示意圖和光顯照片。

f)分別在無應變及彎曲（應變~1%）情況下柔性二硫化鉬濕度傳感器電阻對濕度脈沖的實時響應。

【小結】

這項研究利用金剝離方法得到的表面干凈的二硫化鉬場效應晶體管能夠靈敏地響應外界濕度的變化。由于不同濕度下水分子量的不同對二硫化鉬器件起到不同的摻雜效果，從而得到了具有高靈敏度的二硫化鉬濕度傳感器。且由于二硫化鉬對水分子的物理吸附過程使得這種濕度傳感器能夠很容易脫吸附，從而有效減小了相應時間和恢復時間。利用這種具有超高靈敏度的二硫化鉬濕度傳感器加工得到的器件陣列可以實時反映外界濕度變化的空間分布，為其在將來在無接觸定位系統等方面的應用提供了可能。

文章鏈接：Highly Sensitive MoS? Humidity Sensors Array for Non-contact Sensation?(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702076)

本文由趙靜博士投稿，材料牛整理編輯。

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