二维MoS2/SnS2气敏元件的特性研究

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气体传感器与人们的生产生活息息相关,在对各种有毒、有害气体的探测,以及对食品和人居环境质量的检测等领域发挥着非常重要的作用。因此,高性能气体传感器近年来成为国内外研究的重点和热点。本文中,我们采用机械剥离法、水热法等方法制备了少层MoS2纳米片、SnS2纳米颗粒以及MoS2/SnS2纳米复合材料,为研究三种敏感材料的气敏性能,我们制作了对应的气体传感器,并分析其气敏工作机制。主要研究内容分为以下两个部分:1.利用机械剥离法制备了少层的MoS2纳米片,并采用场发射电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)和原子力显微镜(AFM)对材料的形貌和分子结构进行了表征分析,用光学显微镜观察气体传感器表面材料的分布情况。制作气敏元件并在室温下测试了少层的MoS2纳米片传感器的气敏性能。结果表明少层MoS2纳米片在不同浓度NO2气体的室温探测中表现出高的响应值以及快速且完整的恢复特性(恢复时间仅为2 s,恢复率大于97%)。基于密度泛函理论第一性原理的计算证实了超快的恢复行为是由于NO2气体分子在少层的MoS2纳米片表面弱的范德华力吸附,也就是物理吸附。气体传感器对NO2气体高的响应值归因于MoS2纳米片非常薄的厚度,吸附的NO2气体分子可以影响整个材料的电子分布(尺寸效应)。2.首先利用水热法制备了SnS2纳米颗粒,通过X射线衍射分析仪(XRD)、FE-SEM和TEM表征了材料的晶体结构和表面形貌。制作SnS2纳米颗粒气体传感器,并测试了传感器在不同浓度NO2气体中气敏性能。结果表明SnS2纳米颗粒在NO2气体的室温探测中表现出良好的稳定性和完整的恢复特性(恢复率大于98%)。由于气体传感器在恢复期间气体分子低的吸附能而容易解吸,使得NO2气体分子能够完整的脱附。然后我们通过机械剥离法结合水热法制备了MoS2/SnS2纳米复合材料,采用FE-SEM和Raman表征了复合材料的表面形貌和分子结构。为了研究复合材料的气敏性能,我们把MoS2纳米片、SnS2纳米颗粒、MoS2/SnS2纳米复合材料三种敏感材料分别制作为气体传感器,并测试它们的气敏性能。结果表明MoS2/SnS2纳米复合材料气体传感器的气敏性能得到了改善,其响应值最高(5 ppm的响应值为6),约为SnS2纳米颗粒气体传感器的3倍;具有较好的响应/恢复特性(28 s/3 s),恢复时间远远小于SnS2纳米颗粒气体传感器(30 s);此外,MoS2/SnS2纳米复合材料气体传感器的稳定性强于单一MoS2气体传感器的稳定性。结果表明,MoS2/SnS2纳米复合材料结合了单一MoS2和SnS2的优点,使得气敏性能得到很大提升。
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