日本东北大学NML综述 | 钼基气体传感器的性能及展望

图1. α-MoO₃晶体结构。

1.1 形貌调节 

形貌调节对于提高气体传感器性能至关重要，因为它决定了表面反应的活性位点。形貌调节可以降低传感器最佳温度，可以提高传感器稳定性。

图2. α-MoO₃形貌调节。

1.2 贵金属表面功能化

通过在金属氧化物表面引入贵金属，可以提高气体传感器的性能。除了作为活性位点的作用外，具有高催化活性的贵金属还会降低气体的活化能，导致吸附率增加和操作温度降低。

图3. 贵金属在MoO₃之间的费米能级差异在界面处产生肖特基势垒。

1.3 元素掺杂

除了贵金属，其他金属也可用于提高MoO₃传感性能。例如，少量的铁 (Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)和铬(Cr)显著提高传感器性能。

图4. Fe掺杂的MoO₃传感器。

1.4 异质结耦合 

界面修饰或异质结构可以利用两种不同的材料特性的协同作用，实现优异的性能。

图5. p型金属氧化物和n型MoO₃接触前后的能带示意图。

MoS₂具有独特的可调光学带隙(1.2-1.8 eV)和电子结构。MoS₂的表面化学性质对于提高气敏特性至关重要。不同的MoS₂相其表面活性位点也会不同。在1 T-MoS₂中，表面活性位于缺陷和活化的边面。因此，1 T-MoS₂更适用于化学吸附技术，例如催化剂和传感器。

图6. MoS₂晶体结构。

2.1 深入了解MoS₂的气体传感机制

图7. 单层MoS₂与不同气体的差分电荷密度。

2.2 形貌调节

大多数合成的MoS₂表现出单层、少层或多层结构。传感材料形貌调节可以通常优化气体吸附/脱附过程，例如具有更多活性位点、高表面积、孔隙率或表面缺陷，从而改善气敏特性。

图8. 二维单层/单层MoS₂气敏性能。

2.3 1T—2H相位控制

2H-MoS₂具有局限性，主要是由于有限的活性位点和小的吸附能。1 T的吸附能和1 T MoS₂的分子吸附能力均显着高于2H-MoS₂。

图9. 1 T/2H MoS₂的气敏性能。

2.4 贵金属表面功能化

贵金属表面功能化气敏材料显著提高了响应值，改善/调节了选择性，并降低了工作温度。

图10. Au@MoS₂异质结的能带变化以及气敏响应值。

2.5 元素掺杂

许多的原子可以用来掺杂MoS₂，用于提高MoS₂的气体传感器性能。外来原子取代硫或钼有望提高MoS₂的气体吸附能力。

图11. Zn掺杂MoS₂。

2.6 异质结耦合

两种不同的材料接触时会形成异质界面，称为异质结。异质结构可以调节能带结构，扩大过渡层，协同表面反应等。因此，异质结构耦合是优化MoS₂气敏性能的先进策略之一。

MoSe₂和MoTe₂属于同一族，与MoS₂相似，具有高纵横比的二维层状结构，MoSe₂具有独特的物理和电子特性，例如非常窄的带隙(块体材料为1.1 eV，单层结构为1.5 eV)、在200-800 nm处具有良好的全光谱吸收、低内阻和高载流子迁移率，二维结构的MoSe₂表现出超大的比表面积和丰富的表面吸附位点，这些位点影响气敏性能。

IV 结论与展望