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華南師大在二維材料異質結自驅動氣體傳感器研究獲進展

儀表研發 2021年06月22日 10:21:41 來源:華南師范大學人氣:20399
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  【儀表網 儀表研發】近日,華南師范大學先進光電子研究院周國富教授團隊牛越副研究員和王耀教授在二維材料異質結自驅動氣體傳感器研究方面取得重要進展,相關研究成果發表于國際權威期刊《Advanced Science》(影響因子:15.840)上,題為“A Photovoltaic Self-Powered Gas Sensor Based on All-Dry Transferred MoS2/GaSe Heterojunction for ppb-Level NO2 Sensing at Room Temperature” (DOI: 10.1002/advs.202100472)。牛越副研究員為論文的第一作者和通訊作者,碩士研究生曾俊煒為共同第一作者,王耀教授為共同通訊作者,華南師范大學為獨立完成單位。
 
  氣體傳感器在環境監測、公共安全和醫療診斷等領域均具有不可替代的關鍵作用。近年來,互聯網和物聯網技術的迅速發展,不僅促進了氣體傳感器在智能移動終端的應用,而且對氣體傳感器的性能提出了更高的要求:即在確保具有優異的氣體傳感響應同時,還需兼顧微型化、低能耗和易集成等需求。光伏自驅動氣體傳感器(photovoltaic self-powered gas sensors)可以在不施加電壓的情況下,通過捕獲外界的光能,再轉化成可靠穩定的電學信號(一般為電流或電壓)來實現對目標氣體的自驅動傳感;此外,由于整個自驅動傳感過程無需與外界進行接觸,故此類氣體傳感器在可穿戴設備等智能移動終端的集成和應用上具備更突出的優勢。
 
  本工作利用二維材料結構穩定、帶隙可調和在微型器件上易于集成等獨特優勢,通過機械剝離和干法轉移制備二硫化鉬(MoS2)/硒化鎵(GaSe)異質結氣體傳感器。利用異質結的光伏效應,在可見光照射和室溫條件下對極低濃度的有毒氣體二氧化氮(NO2)進行高性能自驅動傳感。其中,在功率密度為12 mW/cm2、波長為405 nm的可見光照射下,MoS2/GaSe異質結氣體傳感器對濃度為ppb級別的NO2具有優異的自驅動氣體響應,對NO2的室溫檢測限可達到20 ppb(對應的響應值為6.3%);此外,MoS2/GaSe異質結氣體傳感器還表現出優異且穩定的循環性、穩定性和選擇性。最后,通過拉曼光譜和開爾文探針力顯微鏡等測試手段,系統地表征并分析了MoS2/GaSe異質結氣體傳感器的傳感機理:在光照下MoS2/GaSe異質結內的內建電場使光生載流子發生分離,電子向n型半導體MoS2移動,空穴向p型半導體GaSe 移動,由此產生短路電流;NO2與MoS2/GaSe異質結接觸后會引起其短路電流的變化,從而實現對氣體的自驅動傳感。該MoS2/GaSe異質結氣體傳感器為低功耗的環境監測系統提供了理想的傳感平臺。
 
  周國富教授團隊青年拔尖引進人才王耀教授領導的先進信息材料(AIM)課題組近三年在光、電、氣體和溫度等響應型功能信息和智能傳感材料研究方面取得了一系列重要突破,先后在《Advanced Science》、《ACS Nano》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《ACS Sensors》、《2D Materials》、《Chemical Communications》、《Journal of Materials Chemistry C》和《ACS Applied Energy Materials》等國際知名期刊上發表20余篇原創性學術論文,提高了華南師范大學在功能信息和智能傳感材料領域的國際影響力。
 
  本研究工作得到了國家自然科學基金、“111計劃”、廣東省光信息材料與技術重點實驗室、廣東省教育廳創新團隊和廣州市科技計劃等項目的支持。
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