Adv. Funct. Mater. : 基于MoS2范德瓦尔斯p-n结的高选择性室温NO2传感器

【引言】

传统的基于金属氧化物半导体（MOS）的气体传感器具有选择性差的缺陷，并且工作温度高，通常在200–400°C范围内，这会导致高功耗，降低传感器的寿命和耐久性。尽管一些工作已经报道了MOS传感器在室/低温时的传感性能，但是这些传感器仍然面临着灵敏度低、响应恢复速度缓慢和恢复不完全等不足之处。

MoS₂等TMDs二维材料具有高比表面积、表面暴露原子多、表面活性较高、载流子浓度易于调控等优点，这些特性使MoS₂在制备高性能室温气体传感器中占据优势。目前，基于MoS₂薄膜或纳米片的气体传感器已经被用于检测各种气体，例如一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）、氨（NH₃）和三乙胺（TEA），但是受敏感层材料结构的影响，检测灵敏度和选择性仍有待提升。目前还没有研究尝试通过人工合成具有不同半导体性质的MoS₂薄膜来控制传感器的性能。因此，如何提高MoS₂气体传感器的室温检测灵敏度和恢复性，并且阐明其工作机理，对于发展高性能的室温传感器和相关领域的研究，具有重要的科学意义。

近年来，基于二维材料构筑而成的范德瓦尔斯p-n异质结构，及其在纳米电子器件中的应用，受到越来越多的关注。由于原子级厚度，二维范德瓦尔斯p-n异质结的载流子浓度、能带结构可以通过各种手段，如电、磁、光等进行有效调制，为发展高性能气体传感器提供了新的可能性。

【成果简介】

   近日，青岛大学张军课题组和德国洪堡大学的Nicola Pinna教授合作在Adv. Funct. Mater.上发表了一篇题目为“MoS₂ Van der Waals p–n Junctions Enabling Highly Selective Room-Temperature NO₂ Sensor”的文章报告。该工作采用化学气相沉积法（CVD）和W掺杂的过氧化钼溶胶-凝胶软化学合成，分别制备n型和p型MoS₂薄膜，并通过后续转移法构筑了二维p-n结。研究发现MoS₂ p-n结的电阻对ppb浓度的NO₂非常敏感。实验表明，p-n结传感器在室温下对NO₂具有优异的灵敏度和选择性；对20ppm NO₂的灵敏度比p型MoS₂传感器提高了60倍。此外，在紫外光激发下实现了8 ppb的极低LOD和30s内的完全恢复性能。优异传感特性来自于分子吸附对p-n结势垒高度的调节。这种通过构筑二维范德华结来提升检测灵敏度和选择性的方法，为开发高性能室温传感器开辟了新的途径。

【图文简介】

图1 n型MoS₂气体传感器对TEA的性能研究

a） 传感器在室温下对10 ppm各种气体的选择性；

b） 传感器对不同浓度TEA的瞬变；

c） 对0.2、0.5和1 ppm TEA的瞬态响应恢复曲线；

d） 响应随TEA浓度变化的拟合曲线；

e） 50ppm TEA的动态响应恢复曲线；

f） 气体传感器对50ppm TEA的稳定性。

图2  p型MoS₂气体传感器对NO₂的性能研究

a） 传感器在室温下对10ppm各种气体的选择性；

b） 传感器对不同浓度二氧化氮的瞬态响应；

c） 对低浓度NO₂的瞬态响应恢复曲线；

d） NO₂浓度对传感器响应的拟合曲线；

e） 50 ppm NO₂的动态响应恢复曲线；

f） 在395nm紫外光照射下，对不同浓度的NO₂进行瞬态传感；

g） 395nm紫外辐射下50ppm二氧化氮的动态响应恢复曲线；

h） 传感器在395nm紫外辐射下对5ppm二氧化氮的稳定性。

图3 MoS₂ p-n结NO₂气体传感器的性能

a） MoS₂ p-n结器件的结构模型；

b） MoS₂ p-n结的相应光学图像；

c） 感测装置对不同浓度二氧化氮的感应瞬变。插图为低浓度NO₂下的瞬态响应恢复曲线；d） 比较p型MoS₂和MoS₂ p-n结气体传感器对20 ppm NO₂的动态响应恢复曲线；

e） MoS₂ p-n结气体传感器在紫外光照射下对不同20 ppm目标气体的气敏响应；

f） 气体传感器在395nm紫外辐射下对5ppm二氧化氮的稳定性；

g） MoS₂ p-n结气体传感器在紫外光照射下的长期稳定性。

图4 机理解释

a, c, e）MoS₂  p-n, 紫外线照射下的MoS₂  p-n结，以及紫外线照射下暴露于NO2蒸气的MoS₂  p-n结的敏感示意图；

b, d, f）相对应的能带结构图。

【小结】

总之，研究者用不同的方法制备了n型和p型MoS₂，并将它们组合成气体传感器。研究发现，n型MoS₂薄膜对TEA具有很高的灵敏度，检测限为0.1 ppm，而p型MoS₂器件对NO₂有很快的响应。然而，这两种传感器都对其他气体具有交叉敏感性，并且表现出缓慢和不完全的恢复。该研究同时也提出了一种新颖的二维p-n结气体传感器，并证明该传感器在UV辐照下对NO₂具有独特的选择性，对NO₂二氧化氮的灵敏度提高了60倍。此外，p-n结传感器还具有8 ppb的极低检测限和在30s内实现完全快速的恢复性能。这一研究工作展示了一种全新的传感器构筑策略，为二维异质结的高性能低功耗室温气体传感器的简单制造和性能优化提供了一个良好范例。

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