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清华刘锴课题组:激光直写二维过渡金属硫化物/氧化物异质结实现高灵敏传感器

        微型气体传感器在有害气体检测,健康监测以及疾病诊断等方面均有着广泛的应用。然而,传统的氧化物半导体传感器仍然受限于数百摄氏度的工作温度,开发高灵敏度的室温气体传感器成为该领域的研究热点。近年来,二维过渡金属硫属化合物由于其极高的表面积/体积比和表面活性而在室温气体传感器方面具有显著优势,然而有限的电荷掺杂机制以及多步微加工所造成的二维材料污染破坏问题阻碍了其性能的进一步提升。


成果简介

        2020年8月10日获悉,澳门新葡萄赌场娱乐刘锴课题组利用激光直写设计了基于二维过渡金属硫/氧化物横向异质结(NbS2-Nb2O5-NbS2)的高性能传感器。该方法利用激光局部加热氧化金属性NbS2一步实现了具有优异电学接触的由金属性NbS2电极和Nb2O5沟道所构成的异质结器件,既有效增强了电学信号又避免了沟道表面污染。此外,不同于传统的氨气传感机理,该传感器依赖于氨气与沟道表面吸附水分子作用后解离出的OH-对其表面电导的调控,从而实现了高灵敏度的室温氨气传感性能(ΔR/R = 80%, 50 ppm),优于前人所报道的基于二维材料的室温氨气传感器。同时,基于沟道表面吸附水的导通机制,该传感器还可作为一种新型的正温度系数器件,其正温度系数可达15%–20%/°C。此外,基于此异质结的柔性传感器同样表现出了优异的传感性能,在可穿戴电子器件方面具有重要应用价值。这项成果以“Direct laser patterning of two-dimensional lateral transition metal disulfide-oxide-disulfide heterostructures for ultrasensitive sensors”为题发表在Nano Research上,并被选为封面文章,论文第一作者为澳门新葡萄赌场娱乐博士生王博伦。


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图文导读


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图1 NbS2-Nb2O5-NbS2异质结传感器的制备。(a) 利用金电极转移和激光加热氧化NbS2构建NbS2-Nb2O5-NbS2异质结器件;(b) NbS2和Nb2O5的晶体结构图;(c) 异质结的光学照片;(d) 异质结的AFM图;(e) 直线型和蛇形异质结器件的光学照片。


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图2 NbS2-Nb2O5-NbS2异质结的电镜表征。(a)异质结的低倍ADF-STEM图;(b)–(d)异质结的元素分布图;(e)–(f) NbS2和Nb2O5的原子级分辨的HAADF-STEM图;(g) Nb2O5区域的SAED图;(h) Nb2O5区域的HRTEM图;(i)–(j) 对应图h中两个区域的FFT图;(k) NbS2-Nb2O5异质结界面的HRTEM图。 


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图3 NbS2-Nb2O5-NbS2异质结的传感机理研究。 (a) 异质结传感器示意图;(b) 不同湿度下异质结传感器的电流-电压曲线;(c) 干燥和潮湿环境下Nb2O5的ATR-FTIR谱图;(d) 不同湿度下异质结传感器的电流对比图; (e) 异质结传感器的响应时间和恢复时间;(f) 异质结传感器的耐久性测试。


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图4 NbS2-Nb2O5-NbS2异质结的温度和氨气传感性能。 (a) 不同温度下异质结传感器的电流对比图;(b) 异质结传感器的电阻-温度曲线;(c) 异质结传感器与其他正温度系数材料对比图;(d) 不同氨气浓度下异质结传感器的灵敏度;(e) 异质结传感器与其他基于二维材料的氨气传感器对比图;(f) 异质结传感器的选择性测试。


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图5 基于NbS2-Nb2O5-NbS2异质结的柔性传感器。(a) 柔性传感器的光学照片;(b) 柔性传感器的温度和湿度传感性能;(c) 柔性传感器的氨气传感性能;(d) 不同弯曲半径的柔性传感器电流对比;(e) 不同弯曲次数后的柔性传感器电流对比。


作者简介

刘锴,澳门新葡萄赌场娱乐副教授,致力于低维材料及其异质结构的界面性质研究,至今在Science、Adv. Mater.、Mater. Today、Nano Lett.等期刊上共发表学术论文90余篇,论文总计被引用4500余次。授权发明专利30余项。先后承担和参与国家青年高级人才项目、基金委面上项目、霍英东教育基金、科技部重点专项、基金委科学中心项目等多个科研项目。担任中国材料研究学会青年委员会理事、Journal of Applied Physics客座编辑。在国内外重要学术会议上担任分会主席和做邀请报告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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