复旦大学方晓生&邓勇辉Adv. Mater.：二维无机钙钛矿纳米片用于半导体气体传感器

引言：

二维超薄NbWO₆钙钛矿半导体纳米片因具有强相互作用d轨道电子、超薄纳米片结构、高稳定性、无毒等优异性能，是用于构建具有优异性能的气敏传感器的理想材料。该传感器可以应用于医疗诊断、环境污染检测和工业生产等各种场景。基于超薄二维NbWO₆钙钛矿半导体纳米片具有高比表面体积、高载流子迁移率、高柔韧性、高透明度和高生物相容性，该材料是构建下一代柔性可穿戴传感器的最具潜力半导体材料之一。

成果简介：

复旦大学方晓生教授和邓勇辉教授等提出可以将2D NbWO₆纳米片简单地通过固态反应、离子交换和剥离工艺来制备，并应用于气体检测。相关论文以题为“Ultrathin 2D NbWO₆ Perovskite Semiconductor based Gas Sensors with Ultrahigh Selectivity under Low Working Temperature”发表在Advanced Materials上，文章第一作者是王晶博士和任元博士。

图文导读：

图1. （A-M）二维NbWO₆钙钛矿纳米片的制备与表征

利用离子插层辅助的液体剥离法制备了全无机二维NbWO₆钙钛矿半导体纳米片，超薄纳米片厚度月为1.5-3.5 nm，具有高比表面积、高结晶度骨架、高载流子迁移率。水分散的NbWO₆呈现出稳定的、透明的淡蓝色胶体溶液，在650 nm红色激光照射下表现出典型的丁达尔效应。原子力显微镜（AFM）证实剥离的超薄NbWO₆纳米片厚度约为1.5-2.2 nm。所得到的二维钙钛矿半导体纳米片具有制备简单、成本低、无毒等特点。HRTEM图像表明NbWO₆的（110）晶面和（020）晶面沿两个垂直方向的晶面间距为0.31 nm，选区电子衍射(SAED)图中清晰的衍射点进一步表明了高结晶度NbWO₆纳米片的（110）和（020）晶面。

图2. (A−C)气敏传感器件的设计，(D−I)气敏传感性能测试性能和(J−K)气敏传感机理研究。

 n型半导体NbWO₆纳米片结构同时具有高比表面积、超薄的厚度（~1.5 nm）、充分暴露的活性位点、丰富的界面活性氧（O⁻, O²⁻, O₂⁻等）和良好的电子传递行为，展示出优异的硫化氢气体传感性能。二维NbWO₆钙钛矿半导体具有高 H₂S选择性 (S=R_a/R_g=12.5) 是其他8种气体小分子（CO，CH₃OH，NO₂，CH₄，C₂H₅OH，NH₃，CH₃COCH₃和C₇H₈）的6倍多、高的灵敏度（S=12.5 vs 50 ppm）、低的检测温度 (150 °C)、快速的H₂S响应速度(<6 s)、低的检出限(LOD<0.5 ppm)、和快的响应-恢复时间（6 s/30 s），有望应用于基于人体呼出气体检测的口臭和肠胃疾病的非侵入式检测。通过DFT理论计算从吸附能和电荷迁移等角度在分子层面解释H₂S气敏传感机理及其获得高选择性的原因。

小结：总的来说，研究人员通过简单的煅烧-剥离工艺制备了超薄钙钛矿NbWO₆半导体纳米片。该传感器的响应速度快(6秒)，在低工作温度(150 ℃)下完全可逆。这种基于NbWO₆的2D气体传感器在低温下展示了优异的H₂S传感性能，为食品安全、航空安全和公共卫生领域的气体污染快速有效检测提供了新颖、简单、无毒、低成本的智能传感器设计灵感。此外，这项工作不仅为二维全无机钙钛矿纳米片的未开发应用铺平了道路，而且促进了基于这种类型的钙钛矿半导体在环境条件下工作的柔性、透明和可穿戴传感器的探索。

论文链接：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。