Advanced Functional Materials:基于MoS2范德华p-n结的高选择性NO2室温气体传感器

环境污染问题,如汽车尾气、雾霾、酸雨等,严重的损害了人们的身体健康。随着人们环境保护意识的不断增强,迫切需要的高灵敏检测技术对有毒有害气体进行及时探测。传统的金属氧化物半导体(MOS)气体传感器存在选择性差以及工作温度高的缺点(通常200~400℃),器件功耗高,且高温条件也容易缩短传感器的使用寿命。虽然以往也有一部分室温MOS气体传感器的报道,但低灵敏度,缓慢的响应恢复速率和不完全恢复等缺点仍然是室温传感器面临的挑战。

近年来,基于二维材料的范德华异质结构在光电探测和气体检测方面展现出极大的研究潜力。二维材料独特的物理和化学特性为开发超高灵敏度和低功耗以及室温气体传感器提供了可能。其中,MoS2由于其制备手段相对简单、电学性能可调以及良好的化学稳定性,成为室温气体传感器的热门研究对象,用于探测NO,NO2,NH3以及三乙胺等有毒有害气体。虽然,这些传感器表现出较高的探测灵敏度和较低的检测极限,但其选择性差、稳定性差以及恢复速度慢的缺点有待进一步解决。

近日,青岛大学物理科学学院张军团队和德国洪堡大学的Nicola Pinna教授课题组合作,采用传统的化学气相沉积法(CVD)和软化学相结合,分别制备了n型MoS2和p型MoS2,并采用湿法转移手段构筑了MoS2 范德华p-n结。系统研究了n型、p型MoS2以及MoS2 p-n结这三种结构的气体检测性能,结果显示n型MoS2对三乙胺具有最高的灵敏度且探测限为0.1 ppm, p型MoS2则对NO2具有快速的响应,但是这两种气体传感器对其它气体均表现出交叉响应,并且具有恢复缓慢和不完全的缺点;而基于n型MoS2和p型MoS2的p-n结气体传感器,则对NO2表现出优异的选择性,其响应(20 ppm)相对于单独的p型MoS2传感器提高了近60倍,并且检测极限低至8 ppb;更重要的是在紫外光辅助下,传感器在30 s内能够实现快速完全恢复。优异的检测性能主要源于p-n结独特的光电性能和气体吸附对界面势垒高度的有效调控。该研究为二维范德华同质结的构筑和高灵敏、高选择性的室温气体传感器方面的应用提供了一个范例。相关论文发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202000435)。该工作得到了国家自然科学基金,山东省自然科学基金以及青岛市科技基金的资助。