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痕量氧傳感在環(huán)境檢測(cè)、能源、化工、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)的電化學(xué)型氧傳感器的傳感機(jī)制是利用氧氣在敏感材料兩側(cè)的濃差電壓進(jìn)行信號(hào)反饋，所制器件構(gòu)型難以被小型化和集成化，無(wú)法實(shí)時(shí)和便捷地對(duì)氧氣傳感。相較于前者，電阻型氧傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于集成。電阻型器件由兩端電極連接傳感材料構(gòu)成，電極間的溝道面積大，有利于氣體吸附?；诟弑缺砻娣e的二維材料的電阻型傳感器不僅具有高靈敏度等特點(diǎn)，還可兼容硅工業(yè)的平面加工和集成工藝。然而，由于諸如MoS2的二維材料表面缺乏有效的氧吸附活性位點(diǎn)，已報(bào)道的二維材料基氧傳感器還未能真正地實(shí)現(xiàn)亞ppm痕量氧檢測(cè)。故制備具有有效活性位點(diǎn)的二維材料基氧傳感器成為實(shí)現(xiàn)痕量氧檢測(cè)的關(guān)鍵。

近三年來(lái)，北京大學(xué)彭海琳教授課題組首次報(bào)道合成具有高遷移率的二維半導(dǎo)體Bi2O2Se，開(kāi)發(fā)了二維Bi2O2Se晶體的一系列制備方法，在高速低功耗電子器件、量子輸運(yùn)器件、超快高敏紅外光探測(cè)等方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060; Nature Commun. 2018, 9, 3311; Science Advances 2018, 4, eaat8355; Nano Lett. 2019, 19, 2148; Adv. Mater. 2019, 31, 1901964; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2726）。Bi2O2Se材料具有層狀結(jié)構(gòu)，由離子層[Se]n2n- 和 [Bi2O2]n2n+交替堆疊構(gòu)成，其高遷移率和合適能隙（約0.8eV）的特點(diǎn)有利于制作高信噪比的氣體傳感器。最近，彭海琳教授課題組與合作者將二維Bi2O2Se成功應(yīng)用于亞ppm范圍痕量氧氣的高穩(wěn)定性和高選擇性的室溫檢測(cè)，氧檢測(cè)極限達(dá)0.25 ppm。

該研究工作利用掃描隧道顯微鏡（STM）和原位X射線光電子能譜技術(shù)（原位XPS）、以及霍爾器件的表征，并結(jié)合第一性原理計(jì)算，闡明了二維Bi2O2Se對(duì)痕量氧氣的吸附和高性能檢測(cè)的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二維Bi2O2Se晶體暴露于氧氛圍中時(shí)，其表面會(huì)形成高比表面積的非晶Se重構(gòu)原子層。這一非晶的Se原子層能有效吸附氧分子，引起二維Bi2O2Se半導(dǎo)體的遷移率和費(fèi)米能級(jí)的變化，借此Bi2O2Se電導(dǎo)率能被有效調(diào)制【圖1】。另外，通過(guò)器件集成，二維Bi2O2Se陣列式氧傳感器的信噪比明顯增強(qiáng)，能對(duì)痕量的氧氣（低于0.25 ppm）響應(yīng)。該工作表明，二維的Bi2O2Se晶體不僅可用于光電傳感，還能應(yīng)用到痕量氣體傳感，有望滿足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)傳感器件的小型化、智能化和可集成化需求。

該研究工作近期以“Exploiting Two-Dimensional Bi2O2Se for Trace Oxygen Detection”為題在Angew. Chem. Int. Ed.發(fā)表（https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202006745）。北京大學(xué)彭海琳教授是該工作的通訊作者，共同第一作者為北京大學(xué)博雅博士后許適溥和以色列魏茨曼科學(xué)研究所的付會(huì)霞博士，該工作的主要合作者還包括魏茨曼科學(xué)研究所的顏丙海教授、北京大學(xué)物理學(xué)院的江穎教授、牛津大學(xué)的陳宇林教授、上?？萍即髮W(xué)的柳仲楷教授和劉志教授。該工作得到了來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金、北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)博士后科學(xué)基金、北京大學(xué)博雅博士后等項(xiàng)目的支持。

謹(jǐn)以此文熱烈祝賀唐有祺先生百年華誕！

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圖1：二維Bi2O2Se晶體表面氧分子吸附及其對(duì)痕量氧的檢測(cè)