原子级厚度的气体和化学传感器

科学 2019-06-24 11:43:36 157

最近发现的石墨烯是一种具有不寻常和吸引人的电子,光学和热学性质的二维层状材料,它使科学家们寻找具有独特性质的其他原子薄材料。

二硫化钼(MoS 2)已被证明是最有前途的之一。已经提出了用于电子,光电和能量应用的单层和几层二硫化钼装置。由加州大学河滨分校伯恩斯工程学院的工程师领导的一个研究小组开发了另一种潜在的应用:传感器。

“这些传感器现在无处不在,包括智能手机和其他便携式电子设备,”UC总统主席兼UC Riverside电气和计算机工程教授亚历山大·巴兰丁说道,他是该项目的首席研究员。“我们开发的传感器小巧,薄,高灵敏度和选择性,使它们成为许多应用的理想选择。”

Balandin和他实验室的研究生用二硫化钼建造了原子级薄的气体和化学蒸汽传感器,并与纽约州特洛伊市伦斯勒理工学院的研究人员合作进行了测试。这些设备具有二维通道,非常适合传感器应用因为高的表面积与体积比和广泛可调的电子浓度。

研究人员证明,他们称之为二硫化钼薄膜场效应晶体管(TF-FET)的传感器可以选择性地检测乙醇,乙腈,甲苯,氯仿和甲醇蒸气。

该研究结果发表在最近的一篇论文中,“选择性化学气相传感与少量MoS 2薄膜晶体管:与石墨烯器件的比较”,发表在应用物理快报上除Balandin外,共同作者还有Rameez Samnakay和Chenglong Jiang,两位博士都是博士。Balandin实验室的学生,以及伦斯勒理工学院的Michael Shur和Sergey Rumyantsev。

选择性检测不需要事先将表面功能化为特定蒸汽。使用制造的装置和有意老化的装置进行测试。研究中使用的二硫化钼传感器老化了两个月,因为实际应用要求传感器保持稳定并且运行至少一个月。

由于该材料中的电子能带隙,用原子级薄的MoS 2层制成的传感器显示出对某些气体的更好选择性,这导致在暴露于某些气体时强烈抑制电流。另一方面,当使用电流波动作为传感参数时,石墨烯器件表现出选择性。

“用原子级薄的MoS 2实现的传感器与石墨烯器件互补,这是个好消息,”Balandin说。“石墨烯具有非常高的电子迁移率,而MoS 2具有能带隙。”

UC Riverside建立的原子级薄气体传感器(石墨烯和MoS2)的独特之处在于使用低频电流波动作为附加传感信号。通常,这种化学传感器仅使用通过装置的电流的变化或装置有源通道的电阻的变化。

在另一篇论文中,同一研究人员展示了二硫化钼原子薄膜晶体管的高温操作。该论文描述于“ 应用物理学杂志”上发表的一篇论文“MoS 2薄膜晶体管的高温性能:直流和脉冲电流 - 电压特性”。

用于控制系统和传感器的许多电子元件需要在高于200摄氏度的温度下操作。高温应用的实例包括航空航天和涡轮发动机控制以及能量产生和油田仪器。

在高于200摄氏度的温度下工作的晶体管和电路的可用性是有限的。由碳化硅和氮化镓制成的器件 - 传统半导体 - 有望延长高温操作,但对于大批量应用仍然不具成本效益。需要可用于制造在高温下工作的场效应晶体管传感器的新材料系统。