[發明專利]一種二硫化鉬氣敏探測器

在審

• 申請號: 202210560708.7
• 申請日: 2022-05-23
• 公開（公告）號: CN114813882A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 王澤高;陶銳
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于痕量氣體檢測技術領域，涉及一種氣敏探測器，特別是一種以二硫化鉬為導電層的柵控氣敏探測器。該二硫化鉬氣敏探測器包括基底、二硫化鉬、底柵介質層、源電極和漏電極，二硫化鉬位于基底和底柵上方，源電極和漏電極位于二硫化鉬兩端。本發明采用底柵電極，該二硫化鉬氣敏探測器基底由導電硅層和二氧化硅層構成，絕緣的二氧化硅層作為底柵介質層，導電硅層作為底柵電極。本發明所采用的二硫化鉬作為導電層，其二維狀態下的高比表面積使得探測器能夠檢測低濃度的NO₂，底柵電極的加入降低了二硫化鉬的背底電流，光照增強了二硫化鉬與二氧化氮氣體分子之間的吸附作用，有效提高了探測器的靈敏度，檢測極限和信噪比，有利于改善環境問題。

技術領域

本發明屬于痕量氣體檢測技術領域，涉及一種基于二維材料的氣體敏感探測器，尤其涉及一種以二硫化鉬為導電層的NO₂氣敏探測器以及一種光照/柵極共同調控大幅提升氣敏探測性能的創新方法。

背景技術

痕量氣體檢測（氣敏探測）對于生產、農業、倉儲等各種工業過程的安全和質量監控至關重要，如保證實驗室安全的氫氣探測，監控和預警環境危害的NO_x探測器，監測倉庫食品腐敗或肺部、胃腸道疾病的H₂S、NH₃探測器等。二氧化氮（NO₂）作為大氣主要污染物之一，主要由人類活動產生，如汽車尾氣和工業生產。環境中的NO₂會造成酸雨，對動植物造成危害；長期暴露于十億分之一（ppb）濃度的NO₂中會對呼吸系統造成損傷，增加哮喘的發病率與對新冠病毒的易感性，所以需要研發靈敏的NO₂探測器。

目前市場上NO₂的氣敏探測器主要有固態電解質，金屬氧化物半導體等，靈敏度低，檢測極限低，通常只能檢測ppm級濃度的NO₂，遠高于美國環境保護局規定的NO₂濃度標準（53 ppb），以及世界衛生組織發布的“空氣質量標準”（270 ppb），并且部分探測器需要在高溫下進行，這樣會帶來額外的能量損耗。二維狀態下的過渡金屬二硫化物高的比表面積為吸附式的氣敏探測器提供了新可能。已有研究稱石墨烯、黑磷等二維傳感器對NO₂表現出很高的檢測靈敏度，但石墨烯是零帶隙材料，難以調控性質，黑磷在環境中會被氧化，都不適合廣泛應用。相比之下過渡金屬二硫屬化物（TMDs）因其厚度依賴的可調帶隙和相對較高的遷移在氣敏檢測方面具有更高的潛力，基于MoS₂等過渡金屬二硫化物設計的氣敏探測器與其他傳統的氣敏探測器相比，展示出了更高的靈敏度和更低的成本。但是目前MoS₂等傳感器的背底電流大，暗噪聲強，所以普遍存在靈敏度小、探測極限低、恢復不完全的問題。

在光電探測方面，已有研究稱外加柵極電壓可以有效降低二硫化鉬的背景電流，提高響應度，這為柵壓在氣敏探測中的應用提供了思路。光照能增強二氧化氮分子和二硫化鉬之間的電荷轉移，增強吸附性能。同時金屬和硫族元素摻雜能使MoS₂具有帶隙調諧能力，與柵壓、光照協同作用，可顯著改善MoS₂作為氣敏傳感器有靈敏度不高、恢復不完全等問題。

發明內容

本發明的目的就是要克服現有技術的缺點，得到一種以二硫化鉬為導電層的柵極調控氣敏探測器，相較于現有的NO₂氣敏探測器，具有更高的靈敏度與恢復性、更高的檢測極限，并且性能可調；比現有二硫化鉬氣敏探測器操作更簡便、成本更低，具有更高的研發性價比。

本發明提供的二硫化鉬氣敏探測器，如附圖所示，包括基底的導電硅柵電極1、底柵介質材料2、二硫化鉬3、源電極4、漏電極5、光照6。二硫化鉬導電層3位于底柵介質材料2上面，源電極4和漏電極5位于二硫化鉬3兩端，與二硫化鉬3一并作為頂部。