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封面文章：基于低维半导体复合结构的室温气体传感器
精选
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MoS2 Nanosheets Sensitized with Quantum Dots for Room‑Temperature Gas Sensors
研究结果表明，PbS量子点/MoS2纳米片复合结构有效结合了量子点活性位点丰富和MoS2迁移率相对较高的特点，室温气敏效应显著；同时，传感器制备方法及工艺条件温和，利于在实际器件中充分发挥出低维复合半导体结构比表面积大的优势，从而提高室温气敏性能。研究工作展现出硫化物半导体及其低维复合结构应用于发展新型半导体气体传感器的潜力 材料合成：将钼酸铵、硫脲与去离子水按比例混合，水热法合成得到MoS2纳米片；将其分散于油酸并与铅源前驱体混合均匀，于120℃氮气氛围下迅速注入六甲基二硅硫烷(TMS)，利用Pb原子与MoS2边缘S原子的结合，诱导PbS量子点在MoS2纳米片表面形核与生长。经过冷却、离心清洗与干燥等步骤之后，分散于正辛烷溶剂，典型浓度为50 mg/mL。 传感器制备：在室温空气条件下，取适量PbS量子点/MoS2纳米片复合物溶液，以预制有叉指电极的氧化铝陶瓷基片为衬底，经过旋涂成膜、配体置换和甲醇清洗等步骤，得到基于复合结构的薄膜型气体传感器。由于采用低温溶液法制备，克服了传统高温气敏陶瓷烧结工艺对纳米材料活性和器件工艺集成性的制约，并可通过喷涂、打印等方式实现气体传感器硅基晶圆级或柔性卷对卷制造。 图1 (a)溶液法合成PbS量子点/MoS2纳米片复合结构；(b)旋涂法制备复合结构薄膜气体传感器。 利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对材料微观形貌和物相结构进行分析。从电镜照片可以看出，水热法合成的MoS2纳米片呈现很薄的花瓣状，(002)特征晶面显著，与XRD图谱的最强衍射峰所对应晶面一致；复合结构中观察到PbS量子点“点缀”在MoS2纳米片上，附着良好。推测在复合结构的制备过程中，铅源前驱体中的Pb原子可与MoS2纳米片边缘S原子相连，为注入TMS硫源引发的PbS量子点合成反应提供了形核生长点，有助于制备出稳定的PbS量子点/MoS2纳米片复合结构。 III 硫化铅量子点/硫化钼纳米片气体传感器性能分析 图3 PbS/MoS2复合结构(a)界面协同效应示意图及(b)界面能带示意图；PbS/MoS2复合结构气体传感器(c)对不同浓度 NO2的动态响应与(d)选择性。 刘欢 本文通讯作者 华中科技大学光学与电子信息学院 武汉光电国家研究中心 智能传感器芯片与系统。 ▍主要研究成果 刘欢，教授，博士生导师，先后主持国家自然科学基金优青、国家重点研发计划“大气污染成因与控制技术研究”重点专项青年项目、教育部新世纪优秀人才等科研及人才项目。利用胶体量子点独特的表面效应、尺寸效应与可溶液加工特性，构建出基于胶体量子点气敏效应的新型传感器，拓展了低功耗半导体气体传感器研究体系与技术途径，为实现高灵敏度、高可靠性智能气体传感器芯片与片上人工嗅觉系统打下了基础。累计发表学术期刊论文近百篇，授权中国发明专利25项。在美国材料学会年会、亚洲化学传感器会议、中国气湿敏传感技术学术交流会等国内外学术会议作邀请报告。任中国仪器仪表学会传感器分会理事，中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术分会理事，中国电子学会气湿敏传感技术专业委员会副主任。获省部级科技奖励一等奖3项、亚洲化学传感器会议青年科学家奖。 编辑：《纳微快报》编辑部 E-mail：editorial_office@nmletters.org
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