基于二維材料的氣體傳感器研究進展

二維材料作為一種極具潛力的氣敏材料，在氣體傳感器領域受到廣泛關注并取得快速發展。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構、優異的半導體性能、大比表面積，因此，在氣體傳感器領域具有其它材料不可比擬的優勢。

據麥姆斯咨詢報道，針對二維氣敏材料及其復合材料在氣體傳感器領域的研究進展，杭州電子科技大學和西安微電子技術研究所的研究人員進行了綜述分析，系統闡述了石墨烯、TMDs、MXenes的傳感機理、最新研究進展及其在氣體傳感器領域的研究現狀，并對其未來發展趨勢進行了展望。相關研究內容以“基于二維材料的氣體傳感器研究進展”為題發表在《傳感器與微系統》期刊。

以石墨烯為代表的二維納米材料具有獨特的物理化學性質，在氣體傳感領域具有光明的應用前景。此外，與石墨烯具有類似層狀結構的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合材料等。本征石墨烯作為氣敏材料能夠實現在室溫下高靈敏度檢測目標氣體，但其需要較長的恢復時間并且導電率欠佳。目前，提升石墨烯傳感性能的措施包括對其表面功能化以及與其他材料復合?，F有研究已經證明，石墨烯與金屬、金屬氧化物復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電電極得到高靈敏度傳感器，步驟如圖1所示。該傳感器對10 × 10??乙醇靈敏度高達9。

圖1 制作ZnO納米線-石墨/金屬混合結構的關鍵步驟示意圖

基于TMDs的氣體傳感器

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

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）顯示單個氣體分子的HOMO和LUMO

二維TMDs在氣體傳感領域應用前景廣闊，但其在形成導電網絡過程中容易形成堆積，阻礙了氣敏材料與待測氣體的接觸，使得氣體吸附活性位點減少，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構團聚的缺陷。

基于MXenes的氣體傳感器

2011年，Naguib M團隊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構的金屬碳化物和金屬氮化物材料。MXenes憑借其表面性質可調、帶隙可調等優異性能，在儲能、傳感、電催化等領域均有廣泛的應用。目前，Ti?C?TX是氣體傳感領域應用最為廣泛的MXenes材料，該系列其他材料性能研究還處于發展階段，例如，Ti?CO?是MXenes家族中最薄的薄膜之一，具有很大的應用潛力。此外，已有研究證明，V?CTX傳感器在檢測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

當下，二維材料在氣體傳感領域已取得很大進展，但仍面臨一些挑戰。一方面，進一步提高傳感器對目標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合的方法對其進行改性或實現協同作用，可以顯著改善傳感器選擇性。另一方面，氣體傳感器如何實現更低檢測下限也是目前需要面對的挑戰。通過使用紫外光對氣敏材料進行清洗處理，可以使檢測下限達到1/1012級別。此外，現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化應用發展，因此，簡易、低耗和產業化的制備技術開發也是眼下需要直面的挑戰。隨著對二維材料的深入研究，未來將會制備出高選擇性、低檢測限的氣敏元件并在制備工藝上實現突破，推動氣體傳感器實現商業化、大規模、多領域應用。

審核編輯：彭菁