【摘 要】
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通过构筑纳米复合界面可以调控材料的表面形貌,增大复合结构的比表面积,以便于更多的气体分子扩散到材料的表面及内部,以提高气敏性能;同时费米能级的移动会导致势垒的出现,从而对耗尽层的宽度和带隙的结构具有调节作用,改善纳米复合结构的气敏性能。二硫化钼作为一种典型的二维材料,是一种天然的n型半导体,同时具有大量的悬空键和接触位点(硫缺陷、空位和边缘触点),是目前最有前景的气敏材料之一。因此,本文构筑了三种
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通过构筑纳米复合界面可以调控材料的表面形貌,增大复合结构的比表面积,以便于更多的气体分子扩散到材料的表面及内部,以提高气敏性能;同时费米能级的移动会导致势垒的出现,从而对耗尽层的宽度和带隙的结构具有调节作用,改善纳米复合结构的气敏性能。二硫化钼作为一种典型的二维材料,是一种天然的n型半导体,同时具有大量的悬空键和接触位点(硫缺陷、空位和边缘触点),是目前最有前景的气敏材料之一。因此,本文构筑了三种不同的MoS2纳米复合界面,分别为MoS2-ZnONWs界面、MoS2-PSiNWs界面和Si-MoS2-Si界面。制备二硫化钼纳米薄片选用的参数分别是化学气相沉积的温度为770℃,硫化的时间为90 min。本文工作通过设计了核—壳结构的二硫化钼/氧化锌纳米线(MoS2/ZnONWs),测得其在200℃的工作温度下的对NO2的检测极限为200 ppb。MoS2/ZnONWs对50 ppm NO2表现出了最大的响应,响应值为31.2%。这种现象的增强机制主要归因于形成的复合结构内部电子—空穴的重组和界面处的耗尽层宽度的调制。为了进一步降低工作温度,本文设计了三种具有不同厚度的二硫化钼/多孔硅纳米线(MoS2/PSiNWs)异质结,并测得在室温下对NO2的最高检测极限为1 ppm。MoS2/PSiNWs(MoS2的厚度大约为60 nm)表现出了对50 ppm NO2的最大响应,响应值为28.4%。与目前文献报道过的基于MoS2结构的气体传感器相比,MoS2/PSiNWs异质结具有明显的优势。这种现象主要归因于几何形态和界面处耗尽层宽度的影响。同时,结果表明770℃是化学气相沉积(CVD)过程最佳温度。这种现象可以通过MoS2中电荷的快速转移和退火过程中界面处电子的高密度积累来解释。为了将气敏器件设计得更加简单、实用,在薄膜体系下研究气敏性能。本文用一种简单的方法制备了Si-MoS2-Si三明治结构异质结。在室温下对NO2的监测极限为500 ppb,同时,Si-MoS2-Si(MoS2的厚度为120 nm)三明治结构对50 ppm NO2表现出了最大响应值为13.7%。与纯的Si-MoS2相比,Si-MoS2-Si三明治结构气敏响应提高了27.4倍。此外,本文还与PSiNWs在室温下对NO2的气敏行为做对比。结果表明,构造的Si-MoS2-Si三明治结构(13.6%)达到了与PSiNWs纳米结构对NO2实力相当的气敏性能,实现了器件从结构到性能的优化。
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