Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Kỹ thuật định hình laser trực tiếp cho các cấu trúc dị thể cấu trúc hai chiều sulfide-oxide-disulfide kim loại chuyển tiếp nhằm chế tạo cảm biến siêu nhạy
Tóm tắt
Cấu trúc dị thể hai chiều (2D) dựa trên sự kết hợp giữa các sulfide kim loại chuyển tiếp (TMDs) và oxit kim loại chuyển tiếp (TMOs) đã thu hút sự quan tâm ngày càng nhiều nhờ vào lợi ích tích hợp của cả hai thành phần và nhiều chức năng khác nhau. Tuy nhiên, các phương pháp không phá hủy để xây dựng các cấu trúc dị thể TMD-TMO vẫn còn rất hạn chế. Ở đây, chúng tôi phát triển một loại cấu trúc dị thể TMD-TMO bên (NbS2-Nb2O5-NbS2) mới bằng cách sử dụng kỹ thuật định hình laser trực tiếp, không cần lithography. Sự tiếp xúc hoàn hảo của một kênh TMO cực mỏng (Nb2O5) với hai điện cực TMD kim loại (NbS2) đảm bảo tín hiệu điện mạnh mẽ trong một cảm biến hai đầu. Khác với cơ chế cảm ứng ở các TMO hoặc TMD riêng biệt, cảm biến này hoạt động dựa trên sự điều chế dẫn điện bề mặt của kênh TMO cực mỏng (Nb2O5) thông qua một lớp nước phân tử hấp phụ. Do đó, cảm biến này thể hiện độ chọn lọc cao và độ nhạy siêu cao cho việc phát hiện NH3 ở nhiệt độ phòng (ΔR/R = 80% tại 50 ppm), vượt trội so với các cảm biến NH3 đã được báo cáo dựa trên vật liệu 2D, và có hệ số nhiệt độ dương của điện trở cao tới 15%–20%/°C. Hiệu suất không nhạy cảm với độ cong và độ tin cậy cao cũng được chứng minh trong các phiên bản cảm biến linh hoạt. Công trình của chúng tôi cung cấp một chiến lược mới về xử lý không cần lithography cho các cấu trúc dị thể TMD-TMO mới nhằm phát triển các cảm biến hiệu suất cao, cho thấy tiềm năng lớn trong các ứng dụng điện tử di động và đeo được trong tương lai.
Từ khóa
#cảm biến siêu nhạy #cấu trúc dị thể #sulfide kim loại chuyển tiếp #oxit kim loại chuyển tiếp #kỹ thuật định hình laserTài liệu tham khảo
Cho, S.; Kim, S.; Kim, J. H.; Zhao, J.; Seok, J.; Keum, D. H.; Baik, J.; Choe, D. H.; Chang, K. J.; Suenaga, K. et al. Phase patterning for ohmic homojunction contact in MoTe2. Science2015, 349, 625–628.
Liu, C. S.; Yan, X.; Song, X. F.; Ding, S. J.; Zhang, D. W.; Zhou, P. A semi-floating gate memory based on van der Waals heterostructures for quasi-non-volatile applications. Nat. Nanotechnol.2018, 13, 404–410.
Cheng, R. Q.; Wang, F.; Yin, L.; Wang, Z. X.; Wen, Y.; Shifa, T. A.; He, J. High-performance, multifunctional devices based on asymmetric van der Waals heterostructures. Nat. Electron.2018, 1, 356–361.
Hou, J. W.; Wang, X.; Fu, D. Y.; Ko, C.; Chen, Y. B.; Sun, Y. F.; Lee, S.; Wang, K. X.; Dong, K. C.; Sun, Y. H. et al. Modulating photoluminescence of monolayer molybdenum disulfide by metalinsulator phase transition in active substrates. Small2016, 12, 3976–3984.
Huh, W.; Jang, S.; Lee, J. Y.; Lee, D.; Lee, D.; Lee, J. M.; Park, H. G.; Kim, J. C.; Jeong, H. Y.; Wang, G. et al. Synaptic barristor based on phase-engineered 2D heterostructures. Adv. Mater.2018, 30, 1801447.
Luo, H.; Wang, B. L.; Wang, E. Z.; Wang, X. W.; Sun, Y. F.; Li, Q. Q.; Fan, S. S.; Cheng, C.; Liu, K. Phase-transition modulated, highperformance dual-mode photodetectors based on WSe2/VO2 heterojunctions. Appl. Phys. Rev.2019, 6, 041407.
Wang, B. L.; Luo, H.; Wang, X. W.; Wang, E. Z.; Sun, Y. F.; Tsai, Y. C.; Zhu, H.; Liu, P.; Jiang, K. L.; Liu, K. Bifunctional NbS2-based asymmetric heterostructure for lateral and vertical electronic devices. ACS Nano2020, 14, 175–184.
Yuan, Z. Q.; Hou, J. W.; Liu, K. Interfacing 2D semiconductors with functional oxides: Fundamentals, properties, and applications. Crystals2017, 7, 265.
Eranna, G.; Joshi, B. C.; Runthala, D. P.; Gupta, R. P. Oxide materials for development of integrated gas sensors-a comprehensive review. Crit. Rev. Solid State Mater. Sci.2004, 29, 111–188.
Timmer, B.; Olthuis, W.; Van Den Berg, A. Ammonia sensors and their applications-a review. Sensor Actuat. B Chem.2005, 107, 666–677.
Late, D. J.; Huang, Y. K.; Liu, B.; Acharya, J.; Shirodkar, S. N.; Luo, J. J.; Yan, A. M.; Charles, D.; Waghmare, U. V.; Dravid, V. P. et al. Sensing behavior of atomically thin-layered MoS2 transistors. ACS Nano2013, 7, 4879–4891.
Zhao, J.; Li, N.; Yu, H.; Wei, Z.; Liao, M. Z.; Chen, P.; Wang, S. P.; Shi, D. X.; Sun, Q. J.; Zhang, G. Y. Highly sensitive MoS2 humidity sensors array for noncontact sensation. Adv. Mater.2017, 29, 1702076.
Anichini, C.; Czepa, W.; Pakulski, D.; Aliprandi, A.; Ciesielski, A.; Samori, P. Chemical sensing with 2D materials. Chem. Soc. Rev.2018, 47, 4860–4908.
Tan, C. L.; Cao, X. H.; Wu, X. J.; He, Q. Y.; Yang, J.; Zhang, X.; Chen, J. Z.; Zhao, W.; Han, S. K.; Nam, G. H. et al. Recent advances in ultrathin two-dimensional nanomaterials. Chem. Rev.2017, 117, 6225–6331.
Frisenda, R.; Navarro-Moratalla, E.; Gant, P.; De Lara, D. P.; Jarillo- Herrero, P.; Gorbachev, R. V.; Castellanos-Gomez, A. Recent progress in the assembly of nanodevices and van der Waals heterostructures by deterministic placement of 2D materials. Chem. Soc. Rev.2018, 47, 53–68.
Wu, Z. T.; Luo, Z. Z.; Shen, Y. T.; Zhao, W. W.; Wang, W. H.; Nan, H. Y.; Guo, X. T.; Sun, L. T.; Wang, X. R.; You, Y. M. et al. Defects as a factor limiting carrier mobility in WSe2: A spectroscopic investigation. Nano Res.2016, 9, 3622–3631.
Liu, Y.; Guo, J.; Zhu, E. B.; Liao, L.; Lee, S. J.; Ding, M. N.; Shakir, I.; Gambin, V.; Huang, Y.; Duan, X. F. Approaching the Schottky-Mott limit in van der Waals metal-semiconductor junctions. Nature2018, 557, 696–700.
Liu, B. L.; Chen, L.; Liu, G.; Abbas, A. N.; Fathi, M.; Zhou, C. W. High-performance chemical sensing using Schottky-contacted chemical vapor deposition grown monolayer MoS2 transistors. ACS Nano2014, 8, 5304–5314.
Cho, B.; Yoon, J.; Lim, S. K.; Kim, A. R.; Kim, D. H.; Park, S. G.; Kwon, J. D.; Lee, Y. J.; Lee, K. H.; Lee, B. H. et al. Chemical sensing of 2D graphene/MoS2 heterostructure device. ACS Appl. Mater. Interfaces2015, 7, 16775–16780.
Qin, Z. Y.; Zeng, D. W.; Zhang, J.; Wu, C. Y.; Wen, Y. W.; Shan, B.; Xie, C. S. Effect of layer number on recovery rate of WS2 nanosheets for ammonia detection at room temperature. Appl. Surf. Sci.2017, 414, 244–250.
Late, D. J.; Doneux, T.; Bougouma, M. Single-layer MoSe2 based NH3 gas sensor. Appl. Phys. Lett.2014, 105, 233103.
Perkins, R.; Ruegg, A.; Fischer, M.; Streit, P.; Menth, A. A new PTC resistor for power applications. IEEE Trans. Compon. Hybr. Manuf. Technol.1982, 5, 225–230.
Hendrix, B. C.; Wang, X.; Chen, W.; Cui, W. Q. Understanding doped V2O3 as a functional positive temperature coefficient material. J. Mater. Sci. Mater. Electron.1992, 3, 113–119.
Sinclair, D. C.; West, A. R. Impedance and modulus spectroscopy of semiconducting BaTiO3 showing positive temperature coefficient of resistance. J. Appl. Phys.1989, 66, 3850–3856.
Huybrechts, B.; Ishizaki, K.; Takata, M. The positive temperature coefficient of resistivity in barium titanate. J. Mater. Sci.1995, 30, 2463–2474.
Fu, Q. D.; Wang, X. W.; Zhou, J. D.; Xia, J.; Zeng, Q. S.; Lv, D. H.; Zhu, C.; Wang, X. L.; Shen, Y.; Li, X. M. et al. One-step synthesis of metal/semiconductor heterostructure NbS2/MoS2. Chem. Mater.2018, 30, 4001–4007.
Masubuchi, S.; Morimoto, M.; Morikawa, S.; Onodera, M.; Asakawa, Y.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Machida, T. Autonomous robotic searching and assembly of two-dimensional crystals to build van der Waals superlattices. Nat. Commun.2018, 9, 1413.
Wang, X. S.; Lin, J. H.; Zhu, Y. M.; Luo, C.; Suenaga, K.; Cai, C. Z.; Xie, L. M. Chemical vapor deposition of trigonal prismatic NbS2 monolayers and 3R-polytype few-layers. Nanoscale2017, 9, 16607–16611.
Jehng, J. M.; Wachs, I. E. Structural chemistry and Raman spectra of niobium oxides. Chem. Mater.1991, 3, 100–107.
Kim, J. W.; Augustyn, V.; Dunn, B. The effect of crystallinity on the rapid pseudocapacitive response of Nb2O5. Adv. Energy Mater.2012, 2, 141–148.
Nico, C.; Monteiro, T.; Graca, M. P. F. Niobium oxides and niobates physical properties: Review and prospects. Prog. Mater. Sci.2016, 80, 1–37.
Kurioka, N.; Watanabe, D.; Haneda, M.; Shimanouchi, T.; Mizushima, T.; Kakuta, N.; Ueno, A.; Hanaoka, T.; Sugi, Y. Preparation of niobium oxide films as a humidity sensor. Catal. Today1993, 16, 495–501.
Asay, D. B.; Kim, S. H. Evolution of the adsorbed water layer structure on silicon oxide at room temperature. J. Phys. Chem. B2005, 109, 16760–16763.
Hatch, C. D.; Wiese, J. S.; Crane, C. C.; Harris, K. J.; Kloss, H. G.; Baltrusaitis, J. Water adsorption on clay minerals as a function of relative humidity: Application of BET and Freundlich adsorption models. Langmuir2012, 28, 1790–1803.
Traversa, E. Ceramic sensors for humidity detection: The state-of-the-art and future developments. Sens. Actuat. B Chem.1995, 23, 135–156.
Feng, J.; Peng, L. L.; Wu, C. Z.; Sun, X.; Hu, S. L.; Lin, C. W.; Dai, J.; Yang, J. L.; Xie, Y. Giant moisture responsiveness of VS2 ultrathin nanosheets for novel touchless positioning interface. Adv. Mater.2012, 24, 1969–1974.
Egashira, M.; Nakashima, M.; Kawasumi, S.; Selyama, T. Temperature programmed desorption study of water adsorbed on metal oxides. 2. Tin oxide surfaces. J. Phys. Chem.1981, 85, 4125–4130.
Gi, R. S.; Mizumasa, T.; Akiba, Y.; Hirose, Y.; Kurosu, T.; Iida, M. Formation mechanism of p-type surface conductive layer on deposited diamond films. Jpn. J. Appl. Phys.1995, 34, 5550–5555.
Maier, F.; Riedel, M.; Mantel, B.; Ristein, J.; Ley, L. Origin of surface conductivity in diamond. Phys. Rev. Lett.2000, 85, 3472–3475.
Brown, G. E.; Henrich, V. E.; Casey, W. H.; Clark, D. L.; Eggleston, C.; Felmy, A.; Goodman, D. W.; Grätzel, M.; Maciel, G.; McCarthy, M. I. et al. Metal oxide surfaces and their interactions with aqueous solutions and microbial organisms. Chem. Rev.1999, 99, 77–174.
Shi, W. D.; Huo, L. H.; Wang, H. S.; Zhang, H. J.; Yang, J. H.; Wei, P. H. Hydrothermal growth and gas sensing property of flower-shaped SnS2 nanostructures. Nanotechnology2006, 17, 2918–2924.
Kim, Y. H.; Kim, S. J.; Kim, Y. J.; Shim, Y. S.; Kim, S. Y.; Hong, B. H.; Jang, H. W. Self-activated transparent all-graphene gas sensor with endurance to humidity and mechanical bending. ACS Nano2015, 9, 10453–10460.
Qin, Z. Y.; Xu, K.; Yue, H. C.; Wang, H.; Zhang, J.; Ouyang, C.; Xie, C. S.; Zeng, D. W. Enhanced room-temperature NH3 gas sensing by 2D SnS2 with sulfur vacancies synthesized by chemical exfoliation. Sens. Actuat. B Chem.2018, 262, 771–779.
Yavari, F.; Castillo, E.; Gullapalli, H.; Ajayan, P. M.; Koratkar, N. High sensitivity detection of NO2 and NH3 in air using chemical vapor deposition grown graphene. Appl. Phys. Lett.2012, 100, 203120.
Park, S. Y.; Kim, Y.; Kim, T.; Eom, T. H.; Kim, S. Y.; Jang, H. W. Chemoresistive materials for electronic nose: Progress, perspectives, and challenges. InfoMat2019, 1, 289–316.