BiOI/MoS2异质结构通过缺陷工程实现超快且灵敏的室温NO2传感

《Applied Surface Science》：BiOI/MoS 2 heterostructure with defect engineering for ultrafast and sensitive room-temperature NO 2 sensing

本研究通过水热法合成BiOI/MoS?异质结构，利用界面调制协同氧缺陷工程策略解决传统NO?传感器响应慢、灵敏度低和稳定性差的问题。优化后的BMS-2传感器在100 ppm NO?下响应达37.4，超快响应/恢复时间（2.8/19.8 s），检测限0.01 ppm，80%RH湿度耐受性下仍保持优异性能，长期稳定性达10周。XPS、EPR和DFT分析表明，异质结界面内建电场（BiOI富空穴区与MoS?富电子区）协同氧缺陷增强NO?吸附，优化载流子分离与传输效率，实现低界面势垒和高效电荷调制。

　　

陈睿|常海阳|高彦宇|张婉颖|董梅玲|江宝江|王玲|邱海鹏|刘世坚|王成|陈旭东

广东工业大学化学工程与轻工业学院，广州510006，中国

摘要

室温下的电阻式二氧化氮（NO₂）传感器通常由于载流子迁移率有限和活性位点不足而表现出响应缓慢、灵敏度低和稳定性差的问题。在这项研究中，我们报道了一种采用水热法制备的氧化铋碘化物（BiOI）/二硫化钼（MoS₂）异质结构（BMS），通过界面调控与氧缺陷工程相结合的方式克服了现有材料的局限性。优化的BMS-2传感器对NO₂的响应范围为37.4至100 ppm，响应/恢复时间分别为2.8秒和19.8秒，检测限为0.01 ppm，并且具有较高的相对湿度（RH）耐受性（在80%湿度下仍能正常工作18.8小时），同时具备长期稳定性（10周）。开尔文探针和能带对齐分析表明，BiOI/MoS₂中的导带偏移促进了界面电子转移，形成了电子富集的MoS₂和空穴富集的BiOI。这种内部场与缺陷介导的NO₂吸附协同作用，增强了电荷扰动并降低了O₂/NO₂之间的界面势垒。实验结果证明了加速的载流子分离与传输以及抑制的湿度效应共同作用，是实现增强响应、快速动态响应、低检测限和高湿度耐受性的关键。

引言

二氧化氮（NO₂是一种典型的有毒且强氧化性的空气污染物，对健康和环境构成严重威胁。由于其浓度可能以ppm级别变化，因此需要新一代传感器具备超高灵敏度、低检测限和稳健的性能，以实现精确的实时监测和早期干预[1,2]。与基于电流或电位的传感器相比，电阻式传感器更受青睐，因为它们无需电解质，简化了设计，并能实现快速、可逆的响应，同时便于电子集成[6,7]。电阻式NO₂传感器的响应特性取决于界面电子态的分布和能带结构，这些电子态控制着与吸附物的电荷交换[8,9]。由于晶格畸变、配位不饱和或吸附物扰动，这些电子态表现为离散的带隙陷阱，成为优先吸附中心，降低了活化能垒，并介导散射和复合过程，从而决定了信号的幅度、选择性和稳定性。在p型半导体中，NO₂的吸附会导致空穴捕获或电子注入，使费米能级上升，引起能带弯曲，并将表面积累层转化为耗尽区[10]；由此产生的电阻增加可能是由于费米能级的钉扎或漂移，这突显了表面态对局部电子结构和载流子分布的控制作用[11]。在纳米结构中，丰富的深陷阱会促进非弹性散射和载流子迁移率的降低，形成传输瓶颈。因此，调节表面态的能量和密度对于实现高效电荷传输和灵敏的气体传感至关重要。

缺陷工程和异质结设计是提升传感性能的互补途径。引入内在（O/S空位）或外在（N、F、Cl）缺陷可以调节能带结构和费米能级，同时增强与气体分子的吸附焓和电子耦合[12,13]。具有匹配能带和强界面耦合的异质结能够产生内置电场，在吸附过程中驱动载流子的定向迁移，从而提高导电性变化；这使得它们在灵敏度、选择性和环境适应性方面优于单一组分[14,15]。高性能异质结构应结合具有强内在传输能力、有效界面耦合和良好能带对齐的纳米级半导体。二硫化钼（MoS₂的带隙约为1.8 eV，具有高迁移率和丰富的S空位，有利于NO₂的吸附和电荷传输；MoS₂/WS₂或MoS₂/rGO系统表现出快速响应和高灵敏度[16,17]。氧化铋碘化物（BiOI）是一种层状化合物，具有高电子亲和力和丰富的表面位点，有利于气体扩散；基于BiOI的异质结构同样能够实现优异的传感性能和界面电荷调控[18,19]。

通过利用互补的能带对齐和界面协同效应，我们在BiOI上引入可控的氧空位，并将其与MoS₂结合，形成了高质量的异质结构，实现了高效的界面电荷传输通道。XPS、EPR和DFT分析表明，氧空位增强了NO₂的吸附，并通过与异质界的协同作用，调节了载流子的重新分布和局部能带弯曲，从而产生了可调的、稳定的耗尽/积累层。优化后的传感器在室温下表现出高灵敏度、快速响应和恢复，以及优异的选择性和稳定性，优于单一组分传感器和大多数已报道的传感器。这种缺陷与异质结构的协同效应为开发小型化、低功耗、高性能的环境监测器提供了实用途径。

实验步骤

图1展示了BiOI/MoS₂复合材料的合成过程示意图。更多实验细节见支持信息。

BMS的结构特征和电导率

X射线衍射（XRD）（图2a）证实了BiOI（ICDD–PDF 10–0445）和2H-MoS₂（37–1492）的晶体结构：BiOI的晶胞参数为（0 0 1）9.4°，（1 0 2）31.7°，（1 1 0）33.3°；MoS₂的晶胞参数为（0 0 2）14.3°，（1 1 0）58.6°。所有BMS样品均显示为双相纯度，无杂峰。经过掺杂处理后，BiOI的（102）/（110）晶面仍保持尖锐（结晶度良好），而MoS₂

结论

在本研究中，通过协调的界面调控和缺陷工程，我们制备了高效的室温NO₂传感器。所提出的架构结合了高效的界面电荷分离和缺陷辅助的吸附动力学，实现了在环境条件下的快速、选择性和湿度耐受性检测。全面的结构和光谱分析表明，强界面耦合和氧空位的作用至关重要

资金来源

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFB 3812400, 2022YFE0112300）、国家自然科学基金（52403319）以及黑龙江省高校基本科研经费（145409308）的支持。

作者贡献声明

陈睿：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、实验设计、概念构思。常海阳：撰写 – 初稿撰写、资源获取、数据分析、概念构思。高彦宇：资源获取、项目管理。张婉颖：软件开发、实验设计。董梅玲：概念构思。江宝江：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、数据分析。王玲：项目监督、方法设计、实验设计。邱海鹏：项目监督、方法设计、实验设计。刘世坚：结果验证、项目监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。