基于MoS2/石墨烯纳米结构的传感器用于检测NO2气体

《Sensors and Actuators A: Physical》：Fabrication of MoS 2/graphene nanostructure-based sensor for detecting NO 2 gas

氮氧化物检测|MoS?/石墨烯异质结传感器|电荷传输协同效应|湿度耐受性|低功耗气体传感（

　　

高明阳|张文|郭军|田志涵|刘玲

中国西安西北大学电子信息学院，邮编710100

摘要

在这项研究中，我们提出了一个基于MoS₂/石墨烯异质结构的NO₂检测平台。与纯MoS₂传感器相比，该MoS₂/石墨烯传感器表现出显著更高的响应性能，并且具有优异的稳定性、选择性和耐湿性。性能的提升源于MoS₂和石墨烯的协同效应：石墨烯提供了快速的电荷传输能力，而异质结则促进了电荷转移和气体吸附。这种策略为使用二维纳米级异质结构设计高性能气体传感器提供了可行的途径。

引言

二氧化氮（NO₂）是一种典型的空气污染物，来源于车辆尾气、化石燃料燃烧和工业排放，即使在微量浓度下也会对人类呼吸系统和生态平衡造成严重威胁[1]、[2]。因此，开发高灵敏度的气体检测设备对于实时监测NO₂具有重要意义。传统的金属氧化物化学电阻器已被广泛研究；然而，它们的高工作温度、较差的选择性和有限的响应特性严重限制了其实际应用[3]、[4]、[5]。二维（2D）材料引起了极大的关注，因为它们能够实现广泛的应用[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。它们的高比表面积、可调的能带结构和丰富的活性位点为气体分子吸附和电荷转移过程提供了独特的平台[11]、[12]。在各种2D材料中，由于二硫化钼（MoS₂）具有半导体性质、高表面反应性和适合低温操作的特点，特别适合用于构建电子设备[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，未经改性的MoS₂基传感器的检测能力并不理想，包括有限的响应幅度和较长的恢复时间，这限制了其在工业中的应用[18]。

研究人员开发了基于MoS₂的异质结构来提升气体检测能力。将MoS₂与兼容材料结合可以产生界面效应，从而提高电荷传输效率、气体分子捕获能力和电子传输性能[19]。最近的研究表明，复合系统表现出更好的NO₂检测能力，与纯MoS₂器件相比，选择性和灵敏度都有所提高[20]、[21]。这些复合结构利用了不同材料的优势，为在苛刻应用中开发传感器带来了新的机会。然而，一个持续存在的挑战是，大多数当前的异质结构设计仍然需要加热才能达到最佳检测性能，从而无法完全满足低功耗操作的需求[22]。此外，在常温条件下实现足够的NO₂响应仍然是一个难题。因此，开发能够在室温下实现高性能NO₂检测的MoS₂基系统仍然是一个关键的研究前沿。

为了克服这些挑战，本研究提出了一种MoS₂/石墨烯异质结构传感器。通过控制制备过程，我们实现了材料的均匀分布和紧密的界面耦合，这一点通过全面的表征技术得到了验证。优化后的传感器在NO₂响应方面表现出显著提升（MoS₂器件：21.7% vs. 异质结构器件：52.6% @ 1 ppm），这是由于协同效应促进了电荷分离并抑制了载流子复合。这项工作提供了一种通过合理的异质结构工程实现气体检测的可制造策略。

部分摘录

制备与表征

作为层状过渡金属硫化物，MoS₂在催化、能量存储等领域具有独特的性能。然而，其固有的电导率较低（10^-4S/m），限制了电子传输效率。石墨烯是一种二维碳材料，具有超高的电导率（10⁴S/m）和机械强度。其层状结构可以构建三维导电网络，但缺乏特定的传感位点。电子耦合后，石墨烯增强了导电性

结果与讨论

使用XRD测试了MoS₂、石墨烯及其异质结构的晶体结构。图2(a)显示，复合光谱保留了两种材料的所有基本峰，证实了异质结构形成后的结构完整性。MoS₂的峰位于14.52°（002）、39.78°（103）和50.02°（105），与六方2H相（JCPDS no.37-1429）相匹配[24]。石墨烯在26.68°处显示出一个主导的（003）峰，与3R相（JCPDS）一致

结论

本研究展示了一种MoS₂/石墨烯异质结构传感器，其在NO₂检测性能上有了显著提升。与原始的MoS₂器件（1 ppm时的响应率为21.7%）相比，异质结构传感器的响应率为52.6%，同时具有优异的稳定性、选择性和耐湿性。性能的提升源于异质结构的协同效应：MoS₂提供了吸附位点，而石墨烯促进了快速的电荷传输，从而增强了传感器的性能

作者贡献声明

刘玲： 资金获取。 田志涵： 数据整理、方法论设计。 张文： 文章撰写——审阅与编辑、资金获取、数据分析。 高明阳： 文章撰写——初稿撰写、资源准备、方法论设计、数据整理。 郭军： 资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了内蒙古自治区直属本科院校基本科研业务基金项目“环境保护设备研发”共享技术和技能创新平台建设（项目编号NDYWF2301）的支持。

张文目前是内蒙古机电职业技术学院的教师，主要研究方向是基于二维过渡金属硫属化合物（TMDCs）的半导体材料和器件的电子特性。