二维材料衍生结构气体传感性能研究

发布时间：2020-06-01 14:13

【摘要】：近年来,二维材料由于独特的电子结构,优越的物理和化学性质受到越来越多科研工作者的关注。虽然因其原子层结构带来的高表体比和强表面活性等特点,使二维材料在实现高性能气体传感器方面具有显著优势,但目前二维材料气体传感器仍然普遍面临着选择性差,响应灵敏度低等缺陷,因此探究新型材料和器件结构将会是接下来研究的重点。对此本文创新型的引入了石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合材料和黑磷/氮化硼/二硫化钼异质结二维衍生结构,深入地开展了其在气体传感领域的应用研究。主要工作内容如下:1.研究了黑磷/氮化硼/二硫化钼化敏栅极气体传感器的气敏特性,该结构是以黑磷为化敏栅极材料,氮化硼为介质材料,二硫化钼为沟道材料堆叠而成。黑磷-顶栅场效应晶体管拥有优越的晶体管性能,亚阈值摆幅低至103 mV dec~(-1),而开关比高达10~7(V_(ds)=1 V)。在气敏测试中,黑磷-化敏栅型气体传感器对NO_2表现出很高的灵敏度,对于10 ppb的NO_2,响应灵敏度达到了8.21%,检测极限为53 ppt。另外对比四种不同极性的有机易挥发性气体,该气体传感器对二甲基甲酰胺表现出了非常好的选择性。2.设计了一种基于石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合材料的正己烷电阻式气体传感器。石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合材料是由液相剥离的石墨烯与PDMS在异丙醇中混合而成,该复合材料的导电性与石墨烯含量正相关,电导率逾渗阈值低至0.41 wt%。当石墨烯质量分数为0.45 wt%时,对正己烷的检测极限达到了200 ppb,并且拥有非常好的可重复性。该传感器制备方法简单,成本低,且灵敏度高,在工业领域有非常大的应用潜力。
【图文】：

场效应,栅极,二维材料,原理

.2.1 二维材料基础及应用现状二维材料[8]通常是指一类横向尺寸大于 100nm，但只有单个或多个原子厚度纳米材料。目前研究的成果表明相对于他们的体状形态，只有原子层厚度的二材料拥有很多超乎预期的物理和化学性质，与此同时研究者还发现二维材料拥一系列特有的性能[9]。首先，二维材料中的电子被限制在平面区域内，这种电输运的模式对材料电学性能的提高非常有利，同时也为凝聚态物理、电子/光子器件等基础科学研究提供了理想的平台。第二，二维材料的厚度可以薄至几原子层，甚至是单原子的厚度，这种独特的层状结构使得组成材料的大量原子曝露在表面，这样就可以非常容易通过表面修饰、官能化和掺杂等方法对二维料的性质或功能进行调控。第三，二维材料面内独特的强共价键和原子层厚度，使他们具有非常优越的机械强度、柔韧性和透光度等特点，而这些优势也加速动二维材料在下一代电子柔性器件领域的应用研究。最后，二维材料拥有非常的表体比，因此在与材料表面化学相关的领域，例如催化、超级电容和气体传等，也预示着二维材料同样拥有广泛的应用潜力[10]。a）（b）

示意图,石墨,光学响应,量子转换效率

1-2 （a）石墨烯-透明顶栅 BP-场效应晶体管示意图；（b）100 nm 厚度的黑磷本征光学响应及外部量子转换效率；（c）黑磷光探测器对光信号的响应第二，得益于面内强共价键和原子层的厚度，二维材料具有其他传统更加优的机械强度、柔韧性和透光度。例如高至 42 Nm-1和 1.0 TPa 的抗断强度和杨模量[14]，表明石墨烯是目前世界上已知厚度最薄、机械强度最高的材料，在0%弹性形变的情况下，石墨烯依然能保持结构完好，没有发生断裂，也表明了墨烯具备非常好的柔韧性。此外，由于拥有相似的晶格结构，也预示着其他二材料同石墨烯一样有者类似的优越机械性能，例如单层 MoS2测得的杨氏模量达 270 GPa，这要优于它对应的块状形态（~240 GPa）和传统钢铁材料（~205Pa）。[15]除了机械强度和柔韧性，二维材料也有随厚度减小而增大的光学透明，，研究结果[16]表明石墨烯对白光的吸收比仅有~2.3%，而低至~0.1%的反射比乎可以忽略不计，这就意味着约有 97%的白光可以透过石墨烯。另外有报道利石墨烯作为透明顶栅电极，黑磷对光的响应灵敏度高达 657 mAW-1，带宽超过 3 GHz，如图 1-2c 所示[17]。同时具备优越的机械强度、高柔韧性、光学透明
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TB34

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