傳統(tǒng)的基于金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）的氣體傳感器具有選擇性差的缺陷，并且工作溫度高，通常在200–400°C范圍內(nèi)，這會(huì)導(dǎo)致高功耗，降低傳感器的壽命和耐久性。盡管一些工作已經(jīng)報(bào)道了MOS傳感器在室/低溫時(shí)的傳感性能，但是這些傳感器仍然面臨著靈敏度低、響應(yīng)恢復(fù)速度緩慢和恢復(fù)不完全等不足之處。

MoS₂等TMDs二維材料具有高比表面積、表面暴露原子多、表面活性較高、載流子濃度易于調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，這些特性使MoS₂在制備高性能室溫氣體傳感器中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。目前，基于MoS₂薄膜或納米片的氣體傳感器已經(jīng)被用于檢測各種氣體，例如一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）、氨（NH₃）和三乙胺（TEA），但是受敏感層材料結(jié)構(gòu)的影響，檢測靈敏度和選擇性仍有待提升。目前還沒有研究嘗試通過人工合成具有不同半導(dǎo)體性質(zhì)的MoS₂薄膜來控制傳感器的性能。因此，如何提高M(jìn)oS₂氣體傳感器的室溫檢測靈敏度和恢復(fù)性，并且闡明其工作機(jī)理，對(duì)于發(fā)展高性能的室溫傳感器和相關(guān)領(lǐng)域的研究，具有重要的科學(xué)意義。

近年來，基于二維材料構(gòu)筑而成的范德瓦爾斯p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)，及其在納米電子器件中的應(yīng)用，受到越來越多的關(guān)注。由于原子級(jí)厚度，二維范德瓦爾斯p-n異質(zhì)結(jié)的載流子濃度、能帶結(jié)構(gòu)可以通過各種手段，如電、磁、光等進(jìn)行**調(diào)制，為發(fā)展高性能氣體傳感器提供了新的可能性。

近日，青島大學(xué)張軍課題組和德國洪堡大學(xué)的Nicola Pinna教授合作在Adv. Funct. Mater.上發(fā)表了一篇題目為“MoS₂ Van der Waals p–n Junctions Enabling Highly Selective Room-Temperature NO₂ Sensor”的文章報(bào)告。該工作采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）和W摻雜的過氧化鉬溶膠-凝膠軟化學(xué)合成，分別制備n型和p型MoS₂薄膜，并通過后續(xù)轉(zhuǎn)移法構(gòu)筑了二維p-n結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)MoS₂ p-n結(jié)的電阻對(duì)ppb濃度的NO₂非常敏感。實(shí)驗(yàn)表明，p-n結(jié)傳感器在室溫下對(duì)NO₂具有**的靈敏度和選擇性；對(duì)20ppm NO₂的靈敏度比p型MoS₂傳感器提高了60倍。此外，在紫外光激發(fā)下實(shí)現(xiàn)了8 ppb的**LOD和30s內(nèi)的完全恢復(fù)性能。**傳感特性來自于分子吸附對(duì)p-n結(jié)勢(shì)壘高度的調(diào)節(jié)。這種通過構(gòu)筑二維范德華結(jié)來提升檢測靈敏度和選擇性的方法，為開發(fā)高性能室溫傳感器開辟了新的途徑。

總之，研究者用不同的方法制備了n型和p型MoS₂，并將它們組合成氣體傳感器。研究發(fā)現(xiàn)，n型MoS₂薄膜對(duì)TEA具有很高的靈敏度，檢測限為0.1 ppm，而p型MoS₂器件對(duì)NO₂有很快的響應(yīng)。然而，這兩種傳感器都對(duì)其他氣體具有交叉敏感性，并且表現(xiàn)出緩慢和不完全的恢復(fù)。該研究同時(shí)也提出了一種新穎的二維p-n結(jié)氣體傳感器，并證明該傳感器在UV輻照下對(duì)NO₂具有獨(dú)特的選擇性，對(duì)NO₂二氧化氮的靈敏度提高了60倍。此外，p-n結(jié)傳感器還具有8 ppb的**檢測限和在30s內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全快速的恢復(fù)性能。這一研究工作展示了一種全新的傳感器構(gòu)筑策略，為二維異質(zhì)結(jié)的高性能低功耗室溫氣體傳感器的簡單制造和性能優(yōu)化提供了一個(gè)良好范例。

文獻(xiàn)鏈接: 

MoS₂ Van der Waals p–n Junctions Enabling Highly Selective Room-T emperature NO₂ Sensor, 2020, Adv. Funct. Mater. , DOI: 10.1002/adfm.202000435.