用于气敏应用的二维层状纳米材料外文翻译资料

 2022-08-15 14:51:54

英语原文共 20 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

用于气敏应用的二维层状纳米材料

作者介绍

翟天佑于2003年获得郑州大学化学学士学位，2008年在姚建年教授的指导下获得中国科学院化学研究所物理化学博士学位。后来，他加入了国家材料科学研究所（NIMS），成为吉野班多教授团队的JSPS博士后研究员，然后成为NIMS内部的ICYSMANA研究员。现任华中科技大学材料科学与工程学院首席教授。他的研究兴趣包括控制合成和探索无机功能纳米材料的基本物理性质，以及它们在能源科学、电子学和光电子学中有希望的应用。他撰写和合著了100多篇同行评议的期刊文章，5个章节，共同编辑了1本纳米技术书籍，拥有7项专利。他的著作被引用超过5100次（H指数为41）。

摘要

二维（2D）层状纳米材料由于其独特的厚度依赖性，在高性能电子/光电子器件的制备中显示出巨大的潜力。值得注意的是，二维纳米材料在气敏领域的应用也引起了人们的广泛关注，但相关的综述研究却很少。本文综述了二维层状纳米材料在气体传感中的应用现状。首先，我们描述了二维层状纳米结构的基本属性，并讨论了其气敏应用的基本原理。其次，对典型的二维层状纳米材料，包括石墨烯、MoS2、MoSe2、WS2、SnS2、黑磷等进行了气敏研究。文中还讨论了提高其气敏性能的优化策略。最后，我们对本文进行了总结，并对未来的研究进展进行了展望。

1. 介绍

识别特定气体在大气中的存在和/或浓度的气体传感器引起了人们的极大关注，在环境监测、过程控制、安全、医学诊断等众多领域得到了广泛的应用，金属氧化物气体传感器由于其成本低、灵敏度高，在过去几十年中得到了广泛的研究，但为了获得对目标气体的高响应，通常采用较高的工作温度，这不仅增加了功率消耗，而且引起了热安全问题，阻碍了其实际应用。因此，新型传感器在低温下，特别是在室温下能有效地工作是人们迫切需要的。为了解决这一问题，人们提出了多种策略，如开发新型气敏材料、优化器件几何结构、采用合适的制造技术等。值得注意的是，所有这些方法都强烈依赖于气敏材料的特性。因此，开发具有超高表面体积比和强表面活性的新型气敏材料是制备低温或室温下工作的气敏传感器的主要和可靠方法。由于这些样品具有超大的比表面积和高的表面活性，气体分子与表面的相互作用非常强，最终提高了传感的灵敏度和动力学特性。

二维（2D）层状纳米材料以其优异的半导体性能以及独特的厚度依赖的物理和化学性质，包括超大的表面体积比、高表面活性等引起了人们的极大兴趣。此外，二维层状纳米材料可以很容易地制成低功耗、安全性好的化学电阻场效应晶体管（fet）。二维层状纳米材料的这些优点使其区别于传统的金属氧化物，使其在超高灵敏度、低功耗传感器平台的开发中具有广阔的应用前景。目前，一些具有层状特性的二维纳米材料，如石墨烯、金属二羟基化合物（如MoS2、MoSe2、WS2、SnS2和VS2）、黑磷（BP）、六方氮化硼（h-BN）32和石墨碳氮化物（g-C3N4）等，已经发展成为气敏材料，为低温或室温制备开辟了新的途径气体传感器。此外，对于混合型二维功能材料的制备也有很多研究，其中许多材料被整合到二维气敏系统中，例如逐层组装和Langmuir-Blodgett（LB）方法。这些策略已在其他研究中阐述，因此本文主要关注这些固有的二维层状纳米材料在气敏应用中的应用。近年来，国内外学者对二维纳米材料的合成、性质和应用前景进行了综述，包括电子器件、光电器件、储能器件以及传感平台等，但迄今为止，很少有系统地对其气敏应用进行综述，因此，有必要对这一主题作一个全面的总结。

在这篇评论中，我们主要关注基于一些典型二维层状纳米材料的气体传感器的最新发展，包括石墨烯、MoS2、MoSe2、WS2、SnS2、V S2、BP、BN和C3N4。此外，还讨论了提高其气敏性能的优化方法。最后，对气敏领域的这一新趋势进行了展望和展望。

2.二维层状纳米材料的气敏基础

2.1二维层状纳米材料的气敏机理

基于本征二维层状纳米材料的气体传感器的发展严格依赖于其传感机理。不像典型的金属氧化物(例如，SnO2，ZnO，In2O3），典型的二维层状纳米材料（特别是石墨烯，MoS2，和WS2）的传感机理是基于电荷转移的处理。当传感器暴露在活性气体中，气体被吸附在传感通道表面，导致传感器电阻的变化。相反，当暴露在空气或惰性环境中时，气体分子会从传感材料中解吸出来，传感器电阻会恢复到原来的状态。具体来说，以CVD生长的单层MoS2（n型半导体）为例，气体组分（如N O2、N H3）与传感装置之间的电荷转移过程可以作为下文讨论的合理传感机制。当NO2分子吸附在MoS2表面上时，NO2中氮原子的未配对电子通常充当强氧化剂（电子受体），并倾向于从MoS2表面提取电子（图1a）。结果，MoS2的导电带中的电子浓度降低。这种电荷转移导致载流子浓度降低，从而降低导电性。相反，NH3保持一对孤电子总是作为电子供体，并将其电子转移到MoS2的导带上，因此这将导致MoS2中的电子浓度和电导率增加（图1b）。原位光致发光（PL）研究证实了吸附气体与MoS2之间的电荷转移过程。当传感器暴露在氧化NO2中时，PL光谱中准粒子（A ）峰的强度增加，而中性激子（A0）峰的强度降低（图1c）。这归因于NO2从MoS2中提取电子并在MoS2中产生相应的空穴。相反，由于中性激子中的正三极管离解，NH3气体出现相反的趋势，导致A 峰强度被抑制，A0增加（图1d）。

2.2气体传感装置的配置

化学电阻式气敏器件是一种应用广泛的气敏器件，它能使传感材料的电阻在目标气体的作用下发生变化。这种传感装置具有制作工艺简单、测量直观、操作方便等优点。图2a展示了一种典型的化学电阻式气体传感器结构。将含有传感材料的分散溶液滴到陶瓷板上，陶瓷板上先前涂有一对用丝网印刷技术沉积的金电极。一种RuO2加热器，基于其传感层的电导或质量变化（暴露于气体分子）引起的频率变化。举一个典型的例子，Kaner等人报道了一种用于检测H2和CO的SAW石墨烯传感器。在室温下，传感器的响应分别约为5.8kHz到1%H2和8.5kHz到1000ppm CO。值得注意的是，CO的分子量是H2的14倍。因此，CO传感的主要因素是质量的变化，而H2传感的主要原因是石墨烯纳米片的电导变化。在另一个例子中，Balandin等人演示了一种用于区分各种化学蒸汽的声表面波传感器。对于不同的蒸汽，传感器中洛伦兹噪声凸起的特征频率（fc）是不同的，对于四氢呋喃和氯仿蒸汽，其变化范围分别为fc=10-20Hz到fc=1300-1600Hz。

3.基于二维层状纳米材料的气体传感器

3.1石墨烯气体传感器

3.1.1原始石墨烯气体传感器

石墨烯以其原子厚的二维结构和高比表面积、快电子输运动力学等优异的物理性能被认为是制备气敏元件的重要组成部分，石墨烯由于其高质量的晶格结构和二维结构而具有固有的低电噪声，使得其对气体吸附的敏感性甚至低至单分子水平。开发了一种使用机械剥离石墨烯的气体传感器，检测限（LOD）降至十亿分之几（ppb）的水平。此外，通过改变Dirac点附近的载流子密度，利用霍尔几何对传感器件进行了优化，获得了较高的响应。图3a示出了暴露于不同浓度（C）NO2的单层石墨烯中的载流子浓度变化（Delta;n）。发现在相同的曝光条件下，Delta;n与C呈线性关系。如图3b所示，在长期测量过程中，暴露于极稀释的二氧化氮时，进行阶梯状电阻率变化。蓝色曲线中记录了泄漏率为10-3 mbar s-1、暴露于1 ppm NO2的传感装置。在对获得的数据进行分析之后（图3c），通过使用优化的传感器可以检测到单个NO2分子。单分子检测极限的最主要归因于石墨烯的高载流子迁移率和由此产生的极低的噪声。

受上述工作的启发，利用机械剥离法制备的原始石墨烯的气敏性能得到了广泛的研究。例如，Balandin等人60展示了一种剥离石墨烯基晶体管，它可以选择性地检测不同的有机蒸汽。图4a展示了使用电子束曝光（EBL）技术的背栅石墨烯晶体管的SEM图像。图4b还显示了由不同化学蒸汽引起的噪声频率特性。对于不同的气体化学物质，这些凸起的特征频率明显不同。此外，噪声频率范围和相对电阻的变化可以作为特定气体的区别信号，使得石墨烯器件具有高选择性的气敏特性。

尽管可以通过机械剥离法制备高质量的石墨烯，但大多数石墨烯薄膜的尺寸通常限制在1000mu;m2以下，这不被认为是一种可扩展的技术。通过化学气相沉积（CVD）方法可以实现高质量原始石墨烯片的大面积合成。在CVD合成中，采用铜、镍、钴等金属基片在中温（lt;1000°C）下催化分解碳氢化合物，沉积的石墨烯片可以转移到任意基片（刚性或柔性）上制备气敏器件。为了制作气敏器件，沉积的石墨烯片可以被转移到任意的基底（刚性或柔性）上，举个例子，Jang等人最近提出了一种基于CVD生长的石墨烯的自激活透明气敏元件，该气敏元件具有耐潮湿和机械弯曲的特性。图5a示出了石墨烯传感器的制造过程。首先，生长石墨烯层并直接在铜箔上作图。随后，将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）涂覆在图案化石墨烯上，将样品转移到目标衬底上。最后，用FeCl3溶液刻蚀铜箔，将带有PMMA的图形石墨烯转移到聚酰亚胺（PI）衬底上。通过丙酮和热处理可以去除PMMA。当暴露于5 ppm NO2的三个连续脉冲中时，随着偏压的增加，所制备的器件显示出改进的响应和恢复（图5b）。此外，图案化石墨烯传感器在干燥（0%RH）和潮湿（50%RH）环境中对5ppm二氧化氮的动态传感瞬态也在图5c中给出，表明湿度对该自激活传感器的影响可以忽略不计。此外，由于石墨烯的良好柔韧性，传感器在机械弯曲下显示出可靠的工作（图5d）。这些显著的传感器性能大大扩展了全石墨烯传感器在物联网和可穿戴电子领域的潜在应用。最近，Kumar等人首次展示了一种简单、低成本的基于石墨烯纸（G-paper）的化学传感平台，该平台是由CVD生长的石墨烯直接转移到纸上而无需任何中间层制备的。这些传感器对NO2的检测限（LOD）达到了300ppt，优于其他纸质传感器。此外，还发现G-paper传感器对微小应变具有鲁棒性，这有望实现一个灵活的便携式气体传感平台。

采用外延生长方法也可以获得大面积均匀的原始石墨烯薄膜。碳化硅衬底通常用于超高真空加热制备石墨烯层，通过控制退火温度和退火时间可以调节石墨烯层的厚度，在碳化硅衬底上生长的石墨烯层可以直接制备到传感器件中，而无需进行传输过程，而且传感器件还可以在超高真空下加热制备石墨烯层石墨烯基器件的性能受到所选衬底的强烈影响，例如，Nomani等人报道了在半导体6H-Si C的Si面和C面上外延生长的石墨烯层在暴露于NO2分子时表现出相反的电导变化。在Si面和C面上生长的石墨烯层对18ppm的NO2的电导分别降低了10%和增加了4.5%。这种现象是由于两种石墨烯材料的掺杂态不同造成的。在这种情况下，生长在Si面上的石墨烯薄膜是p型的，而生长在C面上的石墨烯薄膜是n型的。有趣的是，Pearce等人还发现，外延生长的石墨烯基传感器对不同浓度的NO2的信号变化方向相反阿尔碳化硅衬底上的单层石墨烯在低NO2浓度下表现出n型行为，而对高NO2浓度的p型反应。这些结果表明，由于SiC衬底作为电子供体诱导石墨烯的电子性质发生调谐，单层石墨烯器件在NO2浓度增加时发生了n-p跃迁。

3.1.2功能化石墨烯气体传感器

尽管可以通过上述几种方法制备石墨烯材料，但化学还原氧化石墨烯方法引起了最广泛的关注，这主要是因为它可以以相对较低的成本大规模生产。氧化石墨烯（GO）作为还原氧化石墨烯（rGO）的前体，通常可以用改进的Hummers法从纯石墨粉中合成GO，与原始石墨烯相比，GO的缺陷点和边缘都含有丰富的含氧官能团，这些官能团可以明显地作为气体吸附的活性中心。然而，GO几乎是绝缘体，因为其共轭电子结构受到这些官能团的干扰，阻碍了其在电子器件中的实际应用。GO的化学还原是部分恢复其导电性的有效方法，同时由于还原不完全，导致rGO还含有一定量的氧基，而且还原过程中会引入一些结构缺陷和空位，这些缺陷和空位也可以作为吸附位点近年来，国内外对有效地将GO还原成rGO的还原剂进行了大量的研究，肼作为一种典型的还原剂，已被广泛地研究用于把GO还原成rGO。例如，Robinson等人al.报告基于肼还原GO的高性能分子传感器。起初，GO薄膜装置是通过标准光刻技术（图6a）制造的，随后该装置在100℃的温度下暴露于水合肼蒸汽中24小时。这些GO装置的还原程度可以通过改变暴露于肼蒸汽的时间来调节。此外，这些GO器件在暴露于5s丙酮脉冲时呈现出不同的响应特性（图6b）。结果表明，通过调整还原工艺可以调整传感器的传感性能。同时，与基于单壁碳纳米管（SWNT）的器件相比，这些肼还原GO器件显示出更低的噪声响应。此外，rGO器件中的噪声水平取决于传感膜的厚度，并且噪声响应可以调低到仪器的热噪声限值（图6c）。抗坏血酸（维生素C）作为一种绿色温和的还原剂，也被用于从Ruoff et证实的去角质GO合成rGO阿尔利用喷墨打印技术（图6d），在PET基板上制备出rGO薄膜来制造柔性气体传感器。传感装置可在室温下实现对化学侵蚀性气体（包括NO2和Cl2）的可逆和选择性检测，检测范围为100 ppm至500 ppb（图6e和f）。然而，由于气体分子与石墨烯层的强相互作用，在这种情况下，使用紫外光（254nm）来加速全信号恢复。与肼相比，对苯二胺（PPD）作为较弱的还原剂，可用于制备含氧基团较多、结构缺陷较多的rGO，且缺陷rGO基传感器具有较高的传感性能。例如，Zhang等人开发了一种基于PPD降低GO的气体传感器。传感器对10ppm甲基膦酸二甲酯（DMMP）的响应是肼还原GO传感器的3.3倍。此外，基于PPD的传感器具有很高的重复性，是一种具有潜在应用价值的优良传感材料。由于肼的高毒性，无毒的NaBH4也被用作一种有效的还原剂。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[416594]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章