[发明专利]一种二硫化钼气敏探测器

说明书

本发明属于痕量气体检测技术领域，涉及一种气敏探测器，特别是一种以二硫化钼为导电层的栅控气敏探测器。该二硫化钼气敏探测器包括基底、二硫化钼、底栅介质层、源电极和漏电极，二硫化钼位于基底和底栅上方，源电极和漏电极位于二硫化钼两端。本发明采用底栅电极，该二硫化钼气敏探测器基底由导电硅层和二氧化硅层构成，绝缘的二氧化硅层作为底栅介质层，导电硅层作为底栅电极。本发明所采用的二硫化钼作为导电层，其二维状态下的高比表面积使得探测器能够检测低浓度的NO₂，底栅电极的加入降低了二硫化钼的背底电流，光照增强了二硫化钼与二氧化氮气体分子之间的吸附作用，有效提高了探测器的灵敏度，检测极限和信噪比，有利于改善环境问题。

技术领域

本发明属于痕量气体检测技术领域，涉及一种基于二维材料的气体敏感探测器，尤其涉及一种以二硫化钼为导电层的NO₂气敏探测器以及一种光照/栅极共同调控大幅提升气敏探测性能的创新方法。

背景技术

痕量气体检测（气敏探测）对于生产、农业、仓储等各种工业过程的安全和质量监控至关重要，如保证实验室安全的氢气探测，监控和预警环境危害的NO_x探测器，监测仓库食品腐败或肺部、胃肠道疾病的H₂S、NH₃探测器等。二氧化氮（NO₂）作为大气主要污染物之一，主要由人类活动产生，如汽车尾气和工业生产。环境中的NO₂会造成酸雨，对动植物造成危害；长期暴露于十亿分之一（ppb）浓度的NO₂中会对呼吸系统造成损伤，增加哮喘的发病率与对新冠病毒的易感性，所以需要研发灵敏的NO₂探测器。

目前市场上NO₂的气敏探测器主要有固态电解质，金属氧化物半导体等，灵敏度低，检测极限低，通常只能检测ppm级浓度的NO₂，远高于美国环境保护局规定的NO₂浓度标准（53 ppb），以及世界卫生组织发布的“空气质量标准”（270 ppb），并且部分探测器需要在高温下进行，这样会带来额外的能量损耗。二维状态下的过渡金属二硫化物高的比表面积为吸附式的气敏探测器提供了新可能。已有研究称石墨烯、黑磷等二维传感器对NO₂表现出很高的检测灵敏度，但石墨烯是零带隙材料，难以调控性质，黑磷在环境中会被氧化，都不适合广泛应用。相比之下过渡金属二硫属化物（TMDs）因其厚度依赖的可调带隙和相对较高的迁移在气敏检测方面具有更高的潜力，基于MoS₂等过渡金属二硫化物设计的气敏探测器与其他传统的气敏探测器相比，展示出了更高的灵敏度和更低的成本。但是目前MoS₂等传感器的背底电流大，暗噪声强，所以普遍存在灵敏度小、探测极限低、恢复不完全的问题。

在光电探测方面，已有研究称外加栅极电压可以有效降低二硫化钼的背景电流，提高响应度，这为栅压在气敏探测中的应用提供了思路。光照能增强二氧化氮分子和二硫化钼之间的电荷转移，增强吸附性能。同时金属和硫族元素掺杂能使MoS₂具有带隙调谐能力，与栅压、光照协同作用，可显著改善MoS₂作为气敏传感器有灵敏度不高、恢复不完全等问题。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术的缺点，得到一种以二硫化钼为导电层的栅极调控气敏探测器，相较于现有的NO₂气敏探测器，具有更高的灵敏度与恢复性、更高的检测极限，并且性能可调；比现有二硫化钼气敏探测器操作更简便、成本更低，具有更高的研发性价比。

本发明提供的二硫化钼气敏探测器，如附图所示，包括基底的导电硅栅电极1、底栅介质材料2、二硫化钼3、源电极4、漏电极5、光照6。二硫化钼导电层3位于底栅介质材料2上面，源电极4和漏电极5位于二硫化钼3两端，与二硫化钼3一并作为顶部。