华南师大在二维材料异质结自驱动气体传感器研究获进展

　　【仪表网 仪表研发】近日，华南师范大学先进光电子研究院周国富教授团队牛越副研究员和王耀教授在二维材料异质结自驱动气体传感器研究方面取得重要进展，相关研究成果发表于国际权威期刊《Advanced Science》(影响因子：15.840)上，题为“A Photovoltaic Self-Powered Gas Sensor Based on All-Dry Transferred MoS2/GaSe Heterojunction for ppb-Level NO2 Sensing at Room Temperature” (DOI: 10.1002/advs.202100472)。牛越副研究员为论文的第一作者和通讯作者，硕士研究生曾俊炜为共同第一作者，王耀教授为共同通讯作者，华南师范大学为独立完成单位。
 

　　气体传感器在环境监测、公共安全和医疗诊断等领域均具有不可替代的关键作用。近年来，互联网和物联网技术的迅速发展，不仅促进了气体传感器在智能移动终端的应用，而且对气体传感器的性能提出了更高的要求：即在确保具有优异的气体传感响应同时，还需兼顾微型化、低能耗和易集成等需求。光伏自驱动气体传感器(photovoltaic self-powered gas sensors)可以在不施加电压的情况下，通过捕获外界的光能，再转化成可靠稳定的电学信号(一般为电流或电压)来实现对目标气体的自驱动传感；此外，由于整个自驱动传感过程无需与外界进行接触，故此类气体传感器在可穿戴设备等智能移动终端的集成和应用上具备更突出的优势。
 

　　本工作利用二维材料结构稳定、带隙可调和在微型器件上易于集成等独特优势，通过机械剥离和干法转移制备二硫化钼(MoS2)/硒化镓(GaSe)异质结气体传感器。利用异质结的光伏效应，在可见光照射和室温条件下对极低浓度的有毒气体二氧化氮(NO2)进行高性能自驱动传感。其中，在功率密度为12 mW/cm2、波长为405 nm的可见光照射下，MoS2/GaSe异质结气体传感器对浓度为ppb级别的NO2具有优异的自驱动气体响应，对NO2的室温检测限可达到20 ppb(对应的响应值为6.3%)；此外，MoS2/GaSe异质结气体传感器还表现出优异且稳定的循环性、稳定性和选择性。最后，通过拉曼光谱和开尔文探针力显微镜等测试手段，系统地表征并分析了MoS2/GaSe异质结气体传感器的传感机理：在光照下MoS2/GaSe异质结内的内建电场使光生载流子发生分离，电子向n型半导体MoS2移动，空穴向p型半导体GaSe 移动，由此产生短路电流；NO2与MoS2/GaSe异质结接触后会引起其短路电流的变化，从而实现对气体的自驱动传感。该MoS2/GaSe异质结气体传感器为低功耗的环境监测系统提供了理想的传感平台。
 

　　周国富教授团队青年拔尖引进人才王耀教授领导的先进信息材料(AIM)课题组近三年在光、电、气体和温度等响应型功能信息和智能传感材料研究方面取得了一系列重要突破，先后在《Advanced Science》、《ACS Nano》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《ACS Sensors》、《2D Materials》、《Chemical Communications》、《Journal of Materials Chemistry C》和《ACS Applied Energy Materials》等国际知名期刊上发表20余篇原创性学术论文，提高了华南师范大学在功能信息和智能传感材料领域的国际影响力。
 

　　本研究工作得到了国家自然科学基金、“111计划”、广东省光信息材料与技术重点实验室、广东省教育厅创新团队和广州市科技计划等项目的支持。