Adv. Mater. : 超灵敏二硫化钼湿度传感器阵列研究进展

【引言】

二维材料由于其超高的表体比、优异的机械性、柔性透明等特性而在湿度传感器领域显示了巨大的应用前景。以二硫化钼为代表的过渡金属硫属化物由于其优异的电流开关比、迁移率等特性为其在电子学器件中的应用提供了可能。由于二硫化钼本身是一种N型半导体，因此当其表面吸附水分子时，相当于对其进行了P型掺杂，其电学性质会表现出相应的变化。现阶段对二硫化钼湿度传感器的研究主要受制于加工过程本身引入的残胶对材料表面的污染，从而影响了其对水分子的吸附导致灵敏度不高或响应时间过长等问题。因而如何得到具有高灵敏的二硫化钼湿度传感器成为制约其应用的最主要原因。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所赵静博士所在的孙其君研究组和中科院物理所张广宇研究组（共同通讯作者）等人基于利用金剥离方法加工得到的具有干净表面的二硫化钼场效应晶体管能够灵敏感知外界湿度变化，得到了一种具有超高灵敏度的二硫化钼湿度传感器。由于水分子的掺杂作用，随着湿度地增加，器件的电阻有明显的降低，当相对湿度从0%变化至35%时，电阻有近10⁴的增加，且迁移率和电流开关比也随着湿度的增加线性减小。除了具有超高灵敏度外，由于对水分子的吸附是纯粹的物理吸附，因此可以很容易地对器件进行脱吸附，相应的响应时间和恢复时间分别为10s和60s。得益于二硫化钼的均匀成膜性，这种具有优异性能的二硫化钼湿度传感器可以加工成一系列的器件阵列，从而对外界不同湿度的空间分布起到定位作用。该成果以“Highly Sensitive MoS₂ Humidity Sensors Array for Non-contact Sensation”为题于2017年7月11日发表在期刊Advanced Materials上。

【图文导读】

图一：二硫化钼湿度传感器的光学表征

a)二硫化钼场效应晶体管阵列的加工流程示意图。

b) 二硫化钼器件的光显和原子力显微镜图。

c) 不同湿度环境下二硫化钼的拉曼光谱变化。

d) 不同湿度环境下二硫化钼的荧光光谱变化。

图二：不同湿度环境下二硫化钼场效应晶体管的电学性能

a)在相对湿度为0%情况下二硫化钼器件的输运特性。

b) 背栅为80V的情况下二硫化钼场效应晶体管随不同湿度变化的输出特性曲线。

c) 源漏电压为1V的情况下，随湿度从0%增加到35%，二硫化钼器件的转移特性曲线。

d) 栅压为80V时电阻随湿度增加的变化情况。

e) 多个器件迁移率和电流开关比随湿度增加时的变化统计结果。

f) 随着湿度增加二硫化钼场效应晶体管的截止电压从负电压偏向正电压。

图三：二硫化钼湿度传感器的时间响应特性

a)不同湿度环境下二硫化钼湿度传感器的实时响应。

b)湿度脉冲为10%情况下二硫化钼湿度传感器的动态响应。

c)二硫化钼湿度传感器的响应时间和恢复时间分别为10s和60s。

d)不同湿度环境下二硫化钼湿度传感器的保持特性。

图四：集成二硫化钼湿度传感器件阵列对外界湿度环境的空间响应

a)二硫化钼湿度传感器件阵列的光显照片。

b)当手指逐渐靠近湿度传感器时器件电阻随距离改变的变化情况。

c)左图为当手指靠近二硫化钼器件阵列3mm时对应的各个器件电阻的变化，右图为相应的湿度分布。

d)当形状为“N”的物体靠近二硫化钼器件阵列时左图反应了各器件电阻的变化，右图对应相应湿度的分布。

e)在柔性PDMS衬底上二硫化钼湿度传感器件阵列的示意图和光显照片。

f)分别在无应变及弯曲（应变~1%）情况下柔性二硫化钼湿度传感器电阻对湿度脉冲的实时响应。

【小结】

这项研究利用金剥离方法得到的表面干净的二硫化钼场效应晶体管能够灵敏地响应外界湿度的变化。由于不同湿度下水分子量的不同对二硫化钼器件起到不同的掺杂效果，从而得到了具有高灵敏度的二硫化钼湿度传感器。且由于二硫化钼对水分子的物理吸附过程使得这种湿度传感器能够很容易脱吸附，从而有效减小了相应时间和恢复时间。利用这种具有超高灵敏度的二硫化钼湿度传感器加工得到的器件阵列可以实时反映外界湿度变化的空间分布，为其在将来在无接触定位系统等方面的应用提供了可能。

文章链接：Highly Sensitive MoS₂ Humidity Sensors Array for Non-contact Sensation (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702076)

本文由赵静博士投稿，材料牛整理编辑。

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