通过在二硫化钼纳米片表面修饰纳米晶以提高其在空气中的稳定性及气敏特性

Untitled具有独特结构和性质的二维层状材料近年来引起了人们的研究兴趣,并得到了广泛的应用(例如气体传感器、太阳能电池、水分解、锂离子电池、超级电容器等)。同样具有二维层状结构的二硫化钼(MoS2)纳米片具有较大的带宽、高的比较面积和突出的场效应晶体管特性。但是当二硫化钼纳米片置于空气中时,空气中的氧气会吸附到它的表面获取电子且极大地降低它本身的电学应能,比如载流子浓度和载流子迁移率,最终导致各种应用的失败。这就是为什么到目前为止纯二硫化钼纳米片的气体传感器一般都会在真空或者惰性气体保护下才能工作。

 美国威斯康辛大学密尔沃基校区的陈君红教授和崔树茂博士针对这一问题,进行了深入而细致的研究并在二硫化钼纳米片空气稳定性及气敏性能方面取得了重要进展。他们通过在二硫化钼纳米片表面修饰二氧化锡(SnO2)纳米晶粒使得二硫化钼纳米片能在空气环境中比较稳定。同时,二硫化钼纳米片在室温下对NO2气体的传感性能(如敏感性、重复性和选择性)得到了极大的增强。相关结果发表在Small上。

一方面,SnO2纳米晶粒对MoS2纳米片具有很强的p型惨杂作用。当SnO2纳米晶粒修饰在MoS2纳米片表面时,电子就会从MoS2纳米片转移到SnO2纳米晶粒。MoS2纳米片的空穴载流子浓度增加导致MoS2纳米片的半导体性质从n型转变为p型,同时也降低了它的失电子能力和与氧气的反应能力。另一方面,电子转移会在MoS2纳米片和SnO2纳米晶粒界面处形成电子耗尽区。这些电子耗尽区连结起来形成了一层敦化层,阻止了氧气与MoS2纳米片的反应。通过这两方面的作用,SnO2纳米晶粒大大增强了MoS2纳米片在空气中的稳定性。通常,MoS2纳米片在保护的环境下会对多种气体有很好的气敏特性,比如NO2 和 NH3. 而SnO2纳米晶粒修饰的MoS2纳米片具有很好的对NO2 的选择气敏性。这是因为在修饰过的杂化材料中,表面的SnO2纳米晶粒成为了气体的吸附中心。根据陈君红教授以前的研究,SnO2表面有很好的对NO2气体的选择性吸附。该工作表明,纳米颗粒修饰可以极大地调节MoS2纳米片的性能。这种新的结构可以进一步开辟很多新的应用领域。