二維材料作為一種極具潛力的氣敏材料，在氣體傳感器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注并取得快速發(fā)展。目前研究較多的二維材料有石墨烯、二維過渡金屬硫化物（TMDs）、MXenes等。由于二維材料具有納米尺寸的層狀結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的半導(dǎo)體性能、大比表面積，因此，在氣體傳感器領(lǐng)域具有其它材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)二維氣敏材料及其復(fù)合材料在氣體傳感器領(lǐng)域的研究進(jìn)展，杭州電子科技大學(xué)和西安微電子技術(shù)研究所的研究人員進(jìn)行了綜述分析，系統(tǒng)闡述了石墨烯、TMDs、MXenes的傳感機(jī)理、最新研究進(jìn)展及其在氣體傳感器領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。相關(guān)研究內(nèi)容以“基于二維材料的氣體傳感器研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《傳感器與微系統(tǒng)》期刊。

以石墨烯為代表的二維納米材料具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在氣體傳感領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。此外，與石墨烯具有類似層狀結(jié)構(gòu)的TMDs和MXenes等二維材料因具有比表面積和禁帶寬度大等特性，也被認(rèn)為是氣體傳感方向具有潛力的候選材料。

基于石墨烯的氣體傳感器

用于氣體傳感器的石墨烯可分為本征石墨烯、石墨烯衍生物和石墨烯復(fù)合材料等。本征石墨烯作為氣敏材料能夠?qū)崿F(xiàn)在室溫下高靈敏度檢測(cè)目標(biāo)氣體，但其需要較長的恢復(fù)時(shí)間并且導(dǎo)電率欠佳。目前，提升石墨烯傳感性能的措施包括對(duì)其表面功能化以及與其他材料復(fù)合。現(xiàn)有研究已經(jīng)證明，石墨烯與金屬、金屬氧化物復(fù)合有利于提高材料的氣敏性能。Yi J等人通過在底部金屬電極上垂直生長ZnO納米棒，石墨烯在頂部作為導(dǎo)電電極得到高靈敏度傳感器，步驟如圖1所示。該傳感器對(duì)10 × 10??乙醇靈敏度高達(dá)9。

圖1 制作ZnO納米線-石墨/金屬混合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟示意圖

基于TMDs的氣體傳感器

繼石墨烯在氣體傳感領(lǐng)域應(yīng)用成功之后，二維TMDs因其半導(dǎo)體特性、高比表面積、高吸收系數(shù)等優(yōu)異的性能，受到研究者們的廣泛關(guān)注。目前文獻(xiàn)中以二硫化鉬（MoS?）、二硫化鎢（WS?）在氣體傳感領(lǐng)域的應(yīng)用研究居多。

圖2 Liu B和Chen L等人基于CVD法制備的MoS?及其氣敏特性

圖3 Zhou C等人進(jìn)行的模擬不同氣體分子與單層WS?相互作用的俯視圖（插圖）（i）和（ii）顯示單個(gè)氣體分子的HOMO和LUMO

二維TMDs在氣體傳感領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但其在形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)過程中容易形成堆積，阻礙了氣敏材料與待測(cè)氣體的接觸，使得氣體吸附活性位點(diǎn)減少，限制了傳感器氣敏性能的提升。為制備室溫下高靈敏度氣敏元件，目前常用的方法有與其他納米材料復(fù)合，如金屬納米粒子、金屬氧化物納米粒子等，可在一定程度上克服二維片層結(jié)構(gòu)團(tuán)聚的缺陷。

基于MXenes的氣體傳感器

2011年，Naguib M團(tuán)隊(duì)首次合成一種新型二維材料，稱為MXenes，該材料是一類具有二維層狀結(jié)構(gòu)的金屬碳化物和金屬氮化物材料。MXenes憑借其表面性質(zhì)可調(diào)、帶隙可調(diào)等優(yōu)異性能，在儲(chǔ)能、傳感、電催化等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。目前，Ti?C?TX是氣體傳感領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的MXenes材料，該系列其他材料性能研究還處于發(fā)展階段，例如，Ti?CO?是MXenes家族中最薄的薄膜之一，具有很大的應(yīng)用潛力。此外，已有研究證明，V?CTX傳感器在檢測(cè)非極性氣體方面的性能超過了基于其它二維材料的氣體傳感器。

圖4 Lee E等人采用滴注法制備的Ti?C?TX傳感器

當(dāng)下，二維材料在氣體傳感領(lǐng)域已取得很大進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，進(jìn)一步提高傳感器對(duì)目標(biāo)氣體的選擇性是科研人員需要解決的首要難題。通過將二維材料與其它材料復(fù)合的方法對(duì)其進(jìn)行改性或?qū)崿F(xiàn)協(xié)同作用，可以顯著改善傳感器選擇性。另一方面，氣體傳感器如何實(shí)現(xiàn)更低檢測(cè)下限也是目前需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。通過使用紫外光對(duì)氣敏材料進(jìn)行清洗處理，可以使檢測(cè)下限達(dá)到1/1012級(jí)別。此外，現(xiàn)有的傳感器制備工藝尚不成熟，在一定程度上限制了其商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展，因此，簡易、低耗和產(chǎn)業(yè)化的制備技術(shù)開發(fā)也是眼下需要直面的挑戰(zhàn)。隨著對(duì)二維材料的深入研究，未來將會(huì)制備出高選擇性、低檢測(cè)限的氣敏元件并在制備工藝上實(shí)現(xiàn)突破，推動(dòng)氣體傳感器實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、大規(guī)模、多領(lǐng)域應(yīng)用。

審核編輯：彭菁