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基于少层硒化铟的光电半导体气体传感器,用于二氧化氮检测

精讯畅通    2022-09-22

背景:

二氧化氮(NO2)是一种有毒有害气体,也是一种常见的大气污染物,环境中的NO2气体可引起诸多环境与人体健康的问题。此外,人体呼出NO2也可以作为一种生物标识物,用于诊断鼻息肉、慢性阻塞性肺疾病等疾病。

可见,能够快速准确地检测NO2气体对于保护环境和人类以及评估健康状况具有重要意义。近些年,包括MoS2,MoSe2,WS2,SnS2等在内的二维过渡金属/金属硫族化物已展现出检测NO2的巨大潜力。

但是,这些材料所构筑的气体传感器通常在室温下响应缓慢且恢复不完全,并且其灵敏度受到预吸附O2的限制。

半导体气体传感器

光电半导体气体传感器的研发:

哈尔滨工业大学团队联合深圳大学团队联合创新性地设计研发了基于二维硒化铟(InSe)的光电半导体气体传感器,巧妙地结合了InSe优异的光电性质与良好气敏特性,有望实现复杂环境中痕量NO2气体的高灵敏、高选择性的快速检测。

InSe作为一个典型的III-VI族层状材料,因其独特的层状结构特点和宽范围的可调带隙特点受到研究者的广泛关注。在室温下,块体InSe的带隙宽度为1.26 eV,单层InSe的带隙宽度为2.11 eV,其光响应范围从紫外光区延续到红外光区。

同时,InSe的有效电子质量为0.14 me,在室温和液氦温度下,其迁移率分别高达103和104cm2V-1s-1。当InSe层数超过6时,具有直接带隙的特性,从而可展现更优异的光电性能。

相较于仅在单层状态下表现出直接带隙特性的MoS2等过渡金属硫族化合物,少层的InSe纳米片的环境稳定性良好且能够很容易通过液相剥离(LPE)的方法进行批量生产。

在这项工作中,该团队采用LPE方法制备了少层直接带隙InSe纳米片,并将其用于构筑光电半导体气体传感器。研究发现,在紫外至可见光区的单色光源的照射下所制备器件对NO2气体均表现出优异的气敏响应性能;

尤其是在365 nm紫外光照下,该器件可在室温下实现对于痕量NO2气体完全可逆的检测,检测限低至0.98 ppb(十亿分之一)。

此外,在紫外光照下,环境中的O2和H2O分子对该器件的性能几乎没有影响;所制备器件甚至可以探测人体呼出气体中ppb 级别的NO2气体。

这项工作不仅拓宽了二维 InSe材料的应用领域,还展现了基于二维材料的光电半导体气体传感器在检测复杂环境中测痕量目标气体分子的应用前景。

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