MoSe_2纳米球结构的制备及其对NO_2的气敏性能_张向阳.pdf

第6 0卷 第4期微纳电子技术V o l.6 0 N o.42 0 2 3年4月M i c r o n a n o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g yA p r i l 2 0 2 3加工、测量与设备D O I:1 0.1 3 2 5 0/j.c n k i.w n d z.2 0 2 3.0 4.0 1 6收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 0基金项目:山西省自然科学基金面上项目(2 0 2 1 0 3 0 2 1 2 3 1 5 7);国家级大学生创新创业训练计划(2 0 2 1 1 0 1 1 2 0 1 8)通信作者:李廷鱼M o S e2纳米球结构的制备及其对N O2的气敏性能张向阳,李 君,夏 滔,熊长军,李廷鱼(太原理工大学 信息与计算机学院 纳米能源与器件实验室,太原 0 3 0 0 2 4)摘要:通过水热法制备了纳米球状M o S e2结构。使用扫描电子显微镜(S EM)对该材料的结构和形貌进行了表征。M o S e2纳米球状结构形貌均匀,其直径为2 0 03 0 0 n m。同时,利用叉指电极制作了基于M o S e2的气体传感器,并测试了其气敏性能。测试结果显示:在室温条件下,M o S e2传感器具有优异的气敏性能,能检测到极低体积分数的NO2,对体积分数61 0-8的NO2的响应为1.0 0 6 4,在空气中也能完全恢复。此外,该传感器还具有良好的响应/恢复特性、重复性、长期稳定性与选择性。最后结合电子转移理论,分析了M o S e2气体传感器对NO2气体的气敏机理。关键词:纳米球结构;气体传感器;水热法;M o S e2;NO2中图分类号:T B 3 8 3;T P 2 1 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1-4 7 7 6(2 0 2 3)0 4-0 6 0 9-0 6P r e p a r a t i o n o f M o S e2 N a n o s p h e r e S t r u c t u r e a n d T h e i r G a s S e n s i n g P r o p e r t i e s T o w a r d N O2Z h a n g X i a n g y a n g,L i J u n,X i a T a o,X i o n g C h a n g j u n,L i T i n g y u(C e n t e r o f N a n o E n e r g y a n d D e v i c e s,C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d C o mp u t e r,C e n t e r U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:M o S e2 n a n o s p h e r e s t r u c t u r e w a s s y n t h e s i z e d b y h y d r o t h e r m a l m e t h o d.T h e s t r u c t u r e a n d m o r p h o l o g y o f t h e s e n s i n g m a t e r i a l s w e r e c h a r a c t e r i z e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y(S EM).M o S e2 m i c r o s t r u c t u r e s e x h i b i t s u n i f o r m n a n o s p h e r e s h a p e w i t h d i a m e t e r o f 2 0 0-3 0 0 n m.M e a n w h i l e,a g a s s e n s o r b a s e d o n M o S e2 s e n s i n g m a t e r i a l s w a s f a b r i c a t e d u s i n g i n t e r d i g i t a l e l e c t r o d e,a n d g a s s e n s i n g p e r f o r m a n c e o f t h e a s-p r e p a r e d s e n s o r w a s t e s t e d.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t M o S e2 s e n s o r h a s e x c e l l e n t g a s s e n s i n g p e r f o r m a n c e a t r o o m t e m p e r a t u r e,c a n d e t e c t v e r y l o w v o l u m e f r a c t i o n o f NO2,a n d i t s r e s p o n s e t o NO2 o f 61 0-8 v o l u m e f r a c t i o n i s 1.0 0 6 4.T h e s e n s o r c a n b e c o m p l e t e l y r e c o v e r e d i n t h e a i r.F u r t h e r m o r e,t h e s e n s o r a l s o h a s g o o d r e s p o n s e/r e c o v e r y c h a r a c t e r i s t i c s,r e p e a t a b i l i t y,l o n g-t e r m s t a b i l i t y a n d s e l e c t i v i t y.F i n a l l y,c o m b i n i n g w i t h e l e c t r o n t r a n s f e r t h e o r y,t h e g a s s e n s i n g m e c h a n i s m o f M o S e2 g a s s e n s o r t o NO2 g a s w a s a n a l y z e d.K e y w o r d s:n a n o s p h e r e s t r u c t u r e;g a s s e n s o r;h y d r o t h e r m a l m e t h o d;M o S e2;NO2P A C C:6 1 4 6;8 2 8 0 T906微 纳 电 子 技 术0 引 言半导体传感器是基于半导体材料,利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器,因为具有灵敏度高、响应速度快、体积小、成本低等一系列优点在各个领域都有着广泛的应用1。随着世界化石燃料的使用量与日俱增,大气环境面临着严峻的挑战,半导体传感器在气体传感领域也逐渐崭露头角。在国外,二维过渡金属硫化物(TMD)作为一种半导体材料已经引起了广泛的关注。T.M a r u-l a s i d d a p p a等人2利用机械剥离法获得了单层的WS2,同时该课题组3也通过机械剥离法制备了M o S e2,并且制成了性能优异的NH3传感器。此外,密度泛函理论计算表明,M o S e2对NO2的吸附能力比对NH3更高4,理论上M o S e2也可以制成性能优异的NO2传感器。M o S e2是一种新兴的半导体材料,在制备场效应晶体管、润滑剂等多方面已经逐渐成熟5-6。R.K.J h a等人7利用超声辅助混合溶剂-液体剥离技术制备了M o S e2纳米片,进而制成的传感器在2 0 0 时表现出良好的H2S气体传感能力。在国内,S.L.Z h a n g等人8利用液相剥离法制备了不同横向尺寸的少层M o S e2,并证明了其尺寸依赖性的传感性能。他们的研究表明,单层和少层M o S e2纳米片具有制备高性能气体传感器的潜力。然而,这些器件在室温下的传感性能不尽如人意。此外,合成方法相对复杂,反应过程不可控。因此,有必要开发一种方便、高效、合成条件简易的方法制备基于M o S e2传感材料的高性能气体传感器。本文采 用 水 热 法 制 备 了 具 有 纳 米 球 形 状 的M o S e2结构。通过扫描电子显微镜(S EM)对所制备的M o S e2材料的形貌结构进行了表征。使用此材料基于叉指 电极和涂覆 法制作了M o S e2基NO2气敏传感器。研究了该传感器的各项气敏性能,包括动态响应曲线,响应/恢复特性与循环重复性。基于电子转移理论,解释了M o S e2对NO2的气敏机理。1 实 验1.1 M o S e2材料的制备合成与样品表征本文实验中采用水热法制备M o S e2纳米球结构。首先,在5 m L的水合肼(N2H4H2O)中加入9.9 1 5 m g的 硒(S e)粉,在8 0 下 搅 拌1 h,形成硒前驱体溶液。同时,将1 5.2 4 3 m g的二水合钼酸钠(N a2M o O42 H2O)分散在1 5 m L 二甲基甲酰胺(DMF)中,剧烈搅拌。然后,将上述硒前驱体溶液滴加到DMF溶液中。将所得溶液转移到反应釜中,将反应釜在1 8 0 下高温水热反应6 h。待反应结束后,反应釜自然冷却,取出反应釜底部的黑色沉淀物,用丙酮、乙醇和去离子水离心清洗三次,干燥后得到黑色的M o S e2粉末。1.2 气体传感器的制作与气敏性能测试以平面叉指电极为基础制作M o S e2材料的薄膜式气体传感器。取少量M o S e2纳米球材料均匀地扩散到无水乙醇中,获得深褐色溶液(质量浓度1 0 m g/m L)。使用移液枪取5 0 L的M o S e2溶液均匀滴加覆盖电极片表面,在其干燥后,会发现电极片表面均匀覆盖一层薄膜材料。将电极片的端引出焊接上电极接口,便完成了M o S e2气体传感器的制作。图1与图2分别为制备的M o S e2气体传感器的工作原理图和实物照片,图中V0为传感器的输出电压。V0-+5 VAl2O3基板传感材料Au电极图1 M o S e2气体传感器工作原理图F i g.1 W o r k i n g p r i n c i p l e d i a g r a m o f t h e M o S e2 g a s s e n s o r图2 M o S e2气体传感器实物照片F i g.2 P h o t o o f t h e M o S e2 g a s s e n s o r016张向阳等:M o S e2纳米球结构的制备及其对NO2的气敏性能使用C G S-1 T P智能气敏分析系统分析传感器的气敏性能。通过实时检测传感器的阻值来探究传感器的响应规律,以传感器在空气中的阻值(Ra)与在目标气体中的阻值(Rg)的比值来表示对氧化性气体的灵敏度,则以传感器在目标气体中的阻值与 在空气中的 阻值 的 比 值(Rg/Ra)来表示对还原性气体的灵敏度。气体传感器的响应时间为输出信号从零点上升到通气平衡点(输出信号的峰值)9 0%所需的时间;恢复时间为从传感器通气平衡状态的输出值恢复到其1 0%所需的时间。2 结果与分析2.1 形貌结构表征为了研究材料的微观结构,通过J S M-7 0 0 1 F型S EM表征所制备的M o S e2纳米材料的形貌与结构,结果如图3所 示。图3(a)为 材 料 的 低 倍S EM图,可见,M o S e2纳米球形貌结构均匀。图3(b)为材料的高倍S EM图,从图中可以看出,M o S e2