二维材料衍生结构气体传感性能研究

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107（Vds= 1 V）。在气敏测试中，黑磷-化敏栅型气体传感器对NO2表现出很高的灵敏度，对于10 ppb的NO2，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。

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