微型氣體傳感器在有害氣體檢測，健康監測以及疾病診斷等方面均有着廣泛的應用。然而，傳統的氧化物半導體傳感器仍然受限于數百攝氏度的工作溫度，開發高靈敏度的室溫氣體傳感器成為該領域的研究熱點。近年來，二維過渡金屬硫屬化合物由于其極高的表面積/體積比和表面活性而在室溫氣體傳感器方面具有顯著優勢，然而有限的電荷摻雜機制以及多步微加工所造成的二維材料污染破壞問題阻礙了其性能的進一步提升。
成果簡介
2020年8月10日獲悉，beat365劉锴課題組利用激光直寫設計了基于二維過渡金屬硫/氧化物橫向異質結(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NbS2一步實現了具有優異電學接觸的由金屬性NbS2電極和Nb2O5溝道所構成的異質結器件，既有效增強了電學信号又避免了溝道表面污染。此外，不同于傳統的氨氣傳感機理，該傳感器依賴于氨氣與溝道表面吸附水分子作用後解離出的OH-對其表面電導的調控，從而實現了高靈敏度的室溫氨氣傳感性能(ΔR/R = 80%, 50 ppm)，優于前人所報道的基于二維材料的室溫氨氣傳感器。同時，基于溝道表面吸附水的導通機制，該傳感器還可作為一種新型的正溫度系數器件，其正溫度系數可達15%–20%/°C。此外，基于此異質結的柔性傳感器同樣表現出了優異的傳感性能，在可穿戴電子器件方面具有重要應用價值。這項成果以“Direct laser patterning of two-dimensional lateral transition metal disulfide-oxide-disulfide heterostructures for ultrasensitive sensors”為題發表在Nano Research上，并被選為封面文章，論文第一作者為beat365博士生王博倫。
圖文導讀
圖1 NbS2-Nb2O5-NbS2異質結傳感器的制備。(a) 利用金電極轉移和激光加熱氧化NbS2構建NbS2-Nb2O5-NbS2異質結器件；(b) NbS2和Nb2O5的晶體結構圖；(c) 異質結的光學照片；(d) 異質結的AFM圖；(e) 直線型和蛇形異質結器件的光學照片。
圖2 NbS2-Nb2O5-NbS2異質結的電鏡表征。(a)異質結的低倍ADF-STEM圖；(b)–(d)異質結的元素分布圖；(e)–(f) NbS2和Nb2O5的原子級分辨的HAADF-STEM圖；(g) Nb2O5區域的SAED圖；(h) Nb2O5區域的HRTEM圖；(i)–(j) 對應圖h中兩個區域的FFT圖；(k) NbS2-Nb2O5異質結界面的HRTEM圖。
圖3 NbS2-Nb2O5-NbS2異質結的傳感機理研究。 (a) 異質結傳感器示意圖；(b) 不同濕度下異質結傳感器的電流-電壓曲線；(c) 幹燥和潮濕環境下Nb2O5的ATR-FTIR譜圖；(d) 不同濕度下異質結傳感器的電流對比圖; (e) 異質結傳感器的響應時間和恢複時間；(f) 異質結傳感器的耐久性測試。
圖4 NbS2-Nb2O5-NbS2異質結的溫度和氨氣傳感性能。 (a) 不同溫度下異質結傳感器的電流對比圖；(b) 異質結傳感器的電阻-溫度曲線；(c) 異質結傳感器與其他正溫度系數材料對比圖；(d) 不同氨氣濃度下異質結傳感器的靈敏度；(e) 異質結傳感器與其他基于二維材料的氨氣傳感器對比圖；(f) 異質結傳感器的選擇性測試。
圖5 基于NbS2-Nb2O5-NbS2異質結的柔性傳感器。(a) 柔性傳感器的光學照片；(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比；(e) 不同彎曲次數後的柔性傳感器電流對比。
作者簡介
劉锴，beat365副教授，緻力于低維材料及其異質結構的界面性質研究，至今在Science、Adv. Mater.、Mater. Today、Nano Lett.等期刊上共發表學術論文90餘篇，論文總計被引用4500餘次。授權發明專利30餘項。先後承擔和參與國家青年高級人才項目、基金委面上項目、霍英東教育基金、科技部重點專項、基金委科學中心項目等多個科研項目。擔任中國材料研究學會青年委員會理事、Journal of Applied Physics客座編輯。在國内外重要學術會議上擔任分會主席和做邀請報告20餘次。
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.