Adv. Mater.:超灵敏的薄层MoS2压力感测器


【引言】

压力传感器在许多领域都有着相当重要的用途,例如汽车、飞行器、钻井业及医疗设备等。目前,微型光纤Fabry–Perot(F-P)传感器因其抗电磁干扰性好、响应快速及可遥感性引起很多科学家的研究兴趣。F-P传感器通常通过附上一薄且灵敏的膜片于分裂的光纤一端,形成一个非本征的F-P干涉结构。而最主要的便是选择合适的材料用于此类薄膜,超薄且机械强度高对于实现F-P的高灵敏性非常重要。

目前为止,F-P传感器的膜片材料有二氧化硅膜、聚合物膜及金属膜(如Ag),但这类材料的厚度通常在100nm到毫米尺度,灵敏度也不高。因此,要提高F-P传感器的性能,打破目前的限制,就需要利用传统加工工艺获得超薄的膜片。

【成果简介】

北航的李成、宾夕法尼亚大学的Mauricio Terrones和清华的吕瑞涛(共同通讯作者)等人通过两步法(包括金属的电子束蒸镀及随后的大气压下的硫化过程)获得了厚度可调的薄层MoS2薄膜。MoS2薄膜也是近年来研究不断深入的材料,其特性可用于光伏领域、析氢反应电极及光电极等领域。而此前主要是限于难以利用有效的方法制备大面积2D尺度的MoS2薄膜。通过两步法,研究团队制备的MoS2薄膜了提高F-P传感器的性能,传感器表现出极高灵敏度(89.3nm Pa-1)近于同步的压力偏转响应,这较传统的膜片材料(二氧化硅、Ag薄膜等)的性能要高至少3个数量级。这类F-P传感器将为2D材料应用于生物医学和环境等领域扩宽新渠道。

【图文导读】

图一、MoS2薄膜的制备与表征

(a) 大面积MoS2薄膜的生长与转移示意图

(b-e) 2nm-D MoS2薄膜的(b) 光学显微,(c) AFM,(d,e)TEM图,(d)的内嵌图为SAED花样图。

图二、F-P传感器的组装与表征

(a) F-P传感器的工作机制示意图

(b) F-P传感器的照片。内嵌图表示了将2nm-D MoS2薄膜转移至F-P空腔的一端

(c) 3D AFM图像。(b)和(c)箭头所指表示的是AFM探针扫描方向

(d) 覆盖于2nm-D MoS2薄膜下的陶瓷插芯的低倍率SEM图,不同的颜色表现出不同的成分,深黄色区域为MoS2薄膜

(e) (d)图所选区域的高倍SEM图

图三、对F-P传感器性能进行测试

(a) F-P传感器测试系统的示意图

(b-c) 11 kHz下,比较参比传感器(b)和2nm-D F-P传感器的输出电压及相关的正弦曲线。

(d) 进行拟合,获得参比传感器与F-P传感器输出电压的关系

图四、F-P传感器性能灵敏性相关测试

(a) 5V,不同频率下F-P传感器的输出电压

(b) 11kHz下,不同声压下F-P传感器的输出电压

(c-d) 不同声压下,(c) 2nm-D MoS2和(d) 5nm-D MoS2膜片的变形量。实验结果得到很好的线性拟合

(e) 比较不同膜片材料的灵敏性。

【小结】

通过两步法合成出具不同厚度的薄层MoS2薄膜,成分和结构也都非常均一。将其转移至陶瓷插芯的一端就可得到高性能的F-P传感器,并表现出高灵敏性。研究结果为2D材料应用开辟了新道路,同时也会推进可用于远程低压检测、苛刻的太空环境等的高灵敏传感器的制备。

文献链接Ultrasensitive Pressure Detection of Few-Layer MoS2(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201603266)

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿,材料牛编辑整理。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展,这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者,如果您对于跟踪材料领域科技进展,解读高水平文章或是评述行业有兴趣,点我加入编辑部

材料人网尊重所有进行知识传播的媒体,转载请联系tougao@cailiaoren.com。

分享到