物理所超靈敏二硫化鉬濕度傳感器研究獲進展

　　二維材料由于其超高的表體比、優(yōu)異的電學(xué)性能、柔性透明等特性在濕度傳感器領(lǐng)域顯示了巨大的應(yīng)用前景。這其中以二硫化鉬為代表的過渡金屬硫?qū)倩镉捎谄鋬?yōu)異的電流開關(guān)比、遷移率等特性為其在電子學(xué)器件中的應(yīng)用提供了可能。由于二硫化鉬本身是一種n型半導(dǎo)體，因此當(dāng)其表面吸附水分子時，相當(dāng)于對其進行了p型摻雜，其電學(xué)性質(zhì)會表現(xiàn)出相應(yīng)的變化，利用這一原理可以用于感知外界水分子量變化的濕度傳感器?，F(xiàn)階段對二硫化鉬濕度傳感器的研究主要受制于加工過程本身引入的殘膠對材料表面的污染，影響了其對水分子的吸附，從而導(dǎo)致靈敏度不高或響應(yīng)時間過長等問題。因而，如何得到具有高靈敏、快速響應(yīng)時間的二硫化鉬濕度傳感器成為制約其應(yīng)用的最主要因素。

　　針對上述問題，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）納米物理與器件實驗室N07組博士趙靜在研究員張廣宇的指導(dǎo)下，利用一種新的金剝離方法加工得到具有干凈表面的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管，從而實現(xiàn)了對水分子的靈敏響應(yīng)。這種加工方法主要是利用二硫化鉬與金之間的作用力遠大于金與襯底間的作用力，從而可以將多余的二硫化鉬樣品從襯底上完整地剝離下來，與此同時保證了用于器件的二硫化鉬表面的干凈，利用這種方法一方面有效避免了加工過程中經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕后表面殘膠對器件性能的影響，另一方面大大簡化了加工過程，得到了具有超潔凈表面的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管，其光學(xué)、電學(xué)性能的顯著提高也從另一個方面證明了這種加工方法得到的樣品具有更好的性能。

　　由于利用這種金剝離方法得到的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管具有超潔凈的表面，因此能夠靈敏感知外界濕度變化，大大提高了二硫化鉬濕度傳感器的靈敏度。對于水分子的摻雜作用，隨著濕度的增加，器件的電流明顯的降低，當(dāng)相對濕度從0%變化至35%時，電阻有近104的增加，相較于之前二硫化鉬濕度傳感器的研究有將近三個數(shù)量級的提高，對應(yīng)的遷移率和電流開關(guān)比也隨著濕度的增加線性減小。除了具有超高靈敏度外，由于二硫化鉬表面沒有懸掛鍵，對水分子的吸附是純粹的物理吸附，因此器件可以很容易地進行脫吸附，有效縮短了響應(yīng)時間和恢復(fù)時間，分別可達10s和60s，且這種器件具有很好的可恢復(fù)性能，經(jīng)過一個月的測試后其初始電阻基本不發(fā)生變化，具有較長的使用壽命。除此之外，得益于CVD生長的二硫化鉬成膜均勻，可以加工得到一系列具有優(yōu)異性能的二硫化鉬濕度傳感器陣列，從而對外界不同濕度的空間分布起到定位作用，用來實時監(jiān)測外界濕度分布的變化。此外，這種具有超高靈敏度的二硫化鉬濕度傳感器在柔性襯底上仍能很好地工作，其性能基本不受施加應(yīng)力的變化而改變，從而為將來應(yīng)用于柔性電子學(xué)器件領(lǐng)域提供了可能。

　　這種基于超潔凈表面的二硫化鉬樣品加工得到的濕度傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間短、使用壽命長、空間分辨率高等特性，可以廣泛應(yīng)用于未來無接觸定位系統(tǒng)及二維材料多功能柔性傳感器陣列領(lǐng)域。相關(guān)成果發(fā)表在《先進材料》上。這項工作得到了中科院B類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金的資助。

　　論文鏈接

　　圖1. （a）利用金剝離方法進行器件加工的過程。(b) 氧化硅襯底上加工好的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管陣列光顯圖。

　　圖 2. (a) 隨濕度的增加二硫化鉬場效應(yīng)晶體管輸出特性曲線的變化。(b) 轉(zhuǎn)移特性曲線隨相對濕度增加的改變。(c)電阻變化與相對濕度的對應(yīng)關(guān)系。

　　圖3. 二硫化鉬濕度傳感器的時間響應(yīng)特性。(a)單個濕度脈沖情況下二硫化鉬濕度傳感器的響應(yīng)時間和衰減時間分別為~10s和~60s。(b)二硫化鉬濕度傳感器的壽命測試。

　　圖4. 二硫化鉬濕度傳感器的空間響應(yīng)特性。(a)手指靠近二硫化鉬濕度傳感器時，器件電阻隨距離減小而指數(shù)增大。(b)、(c)分別為器件陣列對外界濕度分布響應(yīng)的電阻分布值及計算得到的相對濕度值。