基于二维材料的气体传感器研究进展

二维材料作为一种极具潜力的气敏材料，在气体传感器领域受到广泛关注并取得快速发展。目前研究较多的二维材料有石墨烯、二维过渡金属硫化物（TMDs）、MXenes等。由于二维材料具有纳米尺寸的层状结构、优异的半导体性能、大比表面积，因此，在气体传感器领域具有其它材料不可比拟的优势。

据麦姆斯咨询报道，针对二维气敏材料及其复合材料在气体传感器领域的研究进展，杭州电子科技大学和西安微电子技术研究所的研究人员进行了综述分析，系统阐述了石墨烯、TMDs、MXenes的传感机理、最新研究进展及其在气体传感器领域的研究现状，并对其未来发展趋势进行了展望。相关研究内容以“基于二维材料的气体传感器研究进展”为题发表在《传感器与微系统》期刊。

以石墨烯为代表的二维纳米材料具有独特的物理化学性质，在气体传感领域具有光明的应用前景。此外，与石墨烯具有类似层状结构的TMDs和MXenes等二维材料因具有比表面积和禁带宽度大等特性，也被认为是气体传感方向具有潜力的候选材料。

基于石墨烯的气体传感器

用于气体传感器的石墨烯可分为本征石墨烯、石墨烯衍生物和石墨烯复合材料等。本征石墨烯作为气敏材料能够实现在室温下高灵敏度检测目标气体，但其需要较长的恢复时间并且导电率欠佳。目前，提升石墨烯传感性能的措施包括对其表面功能化以及与其他材料复合。现有研究已经证明，石墨烯与金属、金属氧化物复合有利于提高材料的气敏性能。Yi J等人通过在底部金属电极上垂直生长ZnO纳米棒，石墨烯在顶部作为导电电极得到高灵敏度传感器，步骤如图1所示。该传感器对10 × 10⁻⁶乙醇灵敏度高达9。

图1 制作ZnO纳米线-石墨/金属混合结构的关键步骤示意图

基于TMDs的气体传感器

继石墨烯在气体传感领域应用成功之后，二维TMDs因其半导体特性、高比表面积、高吸收系数等优异的性能，受到研究者们的广泛关注。目前文献中以二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）在气体传感领域的应用研究居多。

图2 Liu B和Chen L等人基于CVD法制备的MoS₂及其气敏特性

图3 Zhou C等人进行的模拟不同气体分子与单层WS₂相互作用的俯视图（插图）（i）和（ii）显示单个气体分子的HOMO和LUMO

二维TMDs在气体传感领域应用前景广阔，但其在形成导电网络过程中容易形成堆积，阻碍了气敏材料与待测气体的接触，使得气体吸附活性位点减少，限制了传感器气敏性能的提升。为制备室温下高灵敏度气敏元件，目前常用的方法有与其他纳米材料复合，如金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子等，可在一定程度上克服二维片层结构团聚的缺陷。

基于MXenes的气体传感器

2011年，Naguib M团队首次合成一种新型二维材料，称为MXenes，该材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料。MXenes凭借其表面性质可调、带隙可调等优异性能，在储能、传感、电催化等领域均有广泛的应用。目前，Ti₃C₂TX是气体传感领域应用最为广泛的MXenes材料，该系列其他材料性能研究还处于发展阶段，例如，Ti₂CO₂是MXenes家族中最薄的薄膜之一，具有很大的应用潜力。此外，已有研究证明，V₂CTX传感器在检测非极性气体方面的性能超过了基于其它二维材料的气体传感器。

图4 Lee E等人采用滴注法制备的Ti₃C₂TX传感器

当下，二维材料在气体传感领域已取得很大进展，但仍面临一些挑战。一方面，进一步提高传感器对目标气体的选择性是科研人员需要解决的首要难题。通过将二维材料与其它材料复合的方法对其进行改性或实现协同作用，可以显著改善传感器选择性。另一方面，气体传感器如何实现更低检测下限也是目前需要面对的挑战。通过使用紫外光对气敏材料进行清洗处理，可以使检测下限达到1/10¹²级别。此外，现有的传感器制备工艺尚不成熟，在一定程度上限制了其商业化应用发展，因此，简易、低耗和产业化的制备技术开发也是眼下需要直面的挑战。随着对二维材料的深入研究，未来将会制备出高选择性、低检测限的气敏元件并在制备工艺上实现突破，推动气体传感器实现商业化、大规模、多领域应用。

审核编辑：彭菁