清華劉鍇課題組：激光直寫二維過(guò)渡金屬硫化物/氧化物異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)高靈敏傳感器
????????微型氣體傳感器在有害氣體檢測(cè)，健康監(jiān)測(cè)以及疾病診斷等方面均有著廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的氧化物半導(dǎo)體傳感器仍然受限于數(shù)百攝氏度的工作溫度，開發(fā)高靈敏度的室溫氣體傳感器成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，二維過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔镉捎谄錁O高的表面積/體積比和表面活性而在室溫氣體傳感器方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，然而有限的電荷摻雜機(jī)制以及多步微加工所造成的二維材料污染破壞問(wèn)題阻礙了其性能的進(jìn)一步提升。
成果簡(jiǎn)介
????????2020年8月10日獲悉，清華大學(xué)材料學(xué)院劉鍇課題組利用激光直寫設(shè)計(jì)了基于二維過(guò)渡金屬硫/氧化物橫向異質(zhì)結(jié)(NbS2-Nb2O5-NbS2)的高性能傳感器。該方法利用激光局部加熱氧化金屬性NbS2一步實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)異電學(xué)接觸的由金屬性NbS2電極和Nb2O5溝道所構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)器件，既有效增強(qiáng)了電學(xué)信號(hào)又避免了溝道表面污染。此外，不同于傳統(tǒng)的氨氣傳感機(jī)理，該傳感器依賴于氨氣與溝道表面吸附水分子作用后解離出的OH-對(duì)其表面電導(dǎo)的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的室溫氨氣傳感性能(ΔR/R = 80%, 50 ppm)，優(yōu)于前人所報(bào)道的基于二維材料的室溫氨氣傳感器。同時(shí)，基于溝道表面吸附水的導(dǎo)通機(jī)制，該傳感器還可作為一種新型的正溫度系數(shù)器件，其正溫度系數(shù)可達(dá)15%–20%/°C。此外，基于此異質(zhì)結(jié)的柔性傳感器同樣表現(xiàn)出了優(yōu)異的傳感性能，在可穿戴電子器件方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)成果以“Direct laser patterning of two-dimensional lateral transition metal disulfide-oxide-disulfide heterostructures for ultrasensitive sensors”為題發(fā)表在Nano Research上，并被選為封面文章，論文第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院博士生王博倫。
圖文導(dǎo)讀
圖1 NbS2-Nb2O5-NbS2異質(zhì)結(jié)傳感器的制備。(a) 利用金電極轉(zhuǎn)移和激光加熱氧化NbS2構(gòu)建NbS2-Nb2O5-NbS2異質(zhì)結(jié)器件；(b) NbS2和Nb2O5的晶體結(jié)構(gòu)圖；(c) 異質(zhì)結(jié)的光學(xué)照片；(d) 異質(zhì)結(jié)的AFM圖；(e) 直線型和蛇形異質(zhì)結(jié)器件的光學(xué)照片。
圖2 NbS2-Nb2O5-NbS2異質(zhì)結(jié)的電鏡表征。(a)異質(zhì)結(jié)的低倍ADF-STEM圖；(b)–(d)異質(zhì)結(jié)的元素分布圖；(e)–(f) NbS2和Nb2O5的原子級(jí)分辨的HAADF-STEM圖；(g) Nb2O5區(qū)域的SAED圖；(h) Nb2O5區(qū)域的HRTEM圖；(i)–(j) 對(duì)應(yīng)圖h中兩個(gè)區(qū)域的FFT圖；(k) NbS2-Nb2O5異質(zhì)結(jié)界面的HRTEM圖。?
圖3 NbS2-Nb2O5-NbS2異質(zhì)結(jié)的傳感機(jī)理研究。 (a) 異質(zhì)結(jié)傳感器示意圖；(b) 不同濕度下異質(zhì)結(jié)傳感器的電流-電壓曲線；(c) 干燥和潮濕環(huán)境下Nb2O5的ATR-FTIR譜圖；(d) 不同濕度下異質(zhì)結(jié)傳感器的電流對(duì)比圖; (e) 異質(zhì)結(jié)傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間；(f) 異質(zhì)結(jié)傳感器的耐久性測(cè)試。
圖4 NbS2-Nb2O5-NbS2異質(zhì)結(jié)的溫度和氨氣傳感性能。 (a) 不同溫度下異質(zhì)結(jié)傳感器的電流對(duì)比圖；(b) 異質(zhì)結(jié)傳感器的電阻-溫度曲線；(c) 異質(zhì)結(jié)傳感器與其他正溫度系數(shù)材料對(duì)比圖；(d) 不同氨氣濃度下異質(zhì)結(jié)傳感器的靈敏度；(e) 異質(zhì)結(jié)傳感器與其他基于二維材料的氨氣傳感器對(duì)比圖；(f) 異質(zhì)結(jié)傳感器的選擇性測(cè)試。
圖5 基于NbS2-Nb2O5-NbS2異質(zhì)結(jié)的柔性傳感器。(a) 柔性傳感器的光學(xué)照片；(b) 柔性傳感器的溫度和濕度傳感性能；(c) 柔性傳感器的氨氣傳感性能；(d) 不同彎曲半徑的柔性傳感器電流對(duì)比；(e) 不同彎曲次數(shù)后的柔性傳感器電流對(duì)比。
作者簡(jiǎn)介
劉鍇，清華大學(xué)材料學(xué)院副教授，致力于低維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面性質(zhì)研究，至今在Science、Adv. Mater.、Mater. Today、Nano Lett.等期刊上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇，論文總計(jì)被引用4500余次。授權(quán)發(fā)明專利30余項(xiàng)。先后承擔(dān)和參與國(guó)家青年高級(jí)人才項(xiàng)目、基金委面上項(xiàng)目、霍英東教育基金、科技部重點(diǎn)專項(xiàng)、基金委科學(xué)中心項(xiàng)目等多個(gè)科研項(xiàng)目。擔(dān)任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)青年委員會(huì)理事、Journal of Applied Physics客座編輯。在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會(huì)議上擔(dān)任分會(huì)主席和做邀請(qǐng)報(bào)告20余次。
文章信息
Bolun Wang, Hao Luo, Xuewen Wang, Enze Wang, Yufei Sun, Yu-Chien Tsai, Jinxuan Dong, Peng Liu, Huanglong Li , Yong Xu, Sefaattin Tongay, Kaili Jiang, Shoushan Fan, and Kai Liu*. Direct laser patterning of two-dimensional lateral transition metal disulfide-oxide-disulfide heterostructures for ultrasensitive sensors. Nano Research 2020, 13, 2035–2043.
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