二維材料由於其超高的表體比, 優異的電學性能, 柔性透明等特性在濕度感測器領域顯示了巨大的應用前景. 這其中以二硫化鉬為代表的過渡金屬硫屬化物由於其優異的電流開關比, 遷移率等特性為其在電子學器件中的應用提供了可能. 由於二硫化鉬本身是一種n型半導體, 因此當其表面吸附水分子時, 相當於對其進行了p型摻雜, 其電學性質會表現出相應的變化, 利用這一原理可以用於感知外界水分子量變化的濕度感測器. 現階段對二硫化鉬濕度感測器的研究主要受制於加工過程本身引入的殘膠對材料表面的汙染, 影響了其對水分子的吸附, 從而導致靈敏度不高或響應時間過長等問題. 因而, 如何得到具有高靈敏, 快速響應時間的二硫化鉬濕度感測器成為制約其應用的最主要因素.
針對上述問題, 中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室 (籌) 納米物理與器件實驗室N07組博士趙靜在研究員張廣宇的指導下, 利用一種新的金剝離方法加工得到具有乾淨表面的二硫化鉬場效應晶體管, 從而實現了對水分子的靈敏響應. 這種加工方法主要是利用二硫化鉬與金之間的作用力遠大於金與襯底間的作用力, 從而可以將多餘的二硫化鉬樣品從襯底上完整地剝離下來, 與此同時保證了用於器件的二硫化鉬表面的乾淨, 利用這種方法一方面有效避免了加工過程中經過反應離子刻蝕後表面殘膠對器件性能的影響, 另一方面大大簡化了加工過程, 得到了具有超潔淨表面的二硫化鉬場效應晶體管, 其光學, 電學性能的顯著提高也從另一個方面證明了這種加工方法得到的樣品具有更好的性能.
由於利用這種金剝離方法得到的二硫化鉬場效應晶體管具有超潔淨的表面, 因此能夠靈敏感知外界濕度變化, 大大提高了二硫化鉬濕度感測器的靈敏度. 對於水分子的摻雜作用, 隨著濕度的增加, 器件的電流明顯的降低, 當相對濕度從0%變化至35%時, 電阻有近104的增加, 相較於之前二硫化鉬濕度感測器的研究有將近三個數量級的提高, 對應的遷移率和電流開關比也隨著濕度的增加線性減小. 除了具有超高靈敏度外, 由於二硫化鉬表面沒有懸掛鍵, 對水分子的吸附是純粹的物理吸附, 因此器件可以很容易地進行脫吸附, 有效縮短了響應時間和恢複時間, 分別可達10s和60s, 且這種器件具有很好的可恢複性能, 經過一個月的測試後其初始電阻基本不發生變化, 具有較長的使用壽命. 除此之外, 得益於CVD生長的二硫化鉬成膜均勻, 可以加工得到一系列具有優異性能的二硫化鉬濕度感測器陣列, 從而對外界不同濕度的空間分布起到定位作用, 用來即時監測外界濕度分布的變化. 此外, 這種具有超高靈敏度的二硫化鉬濕度感測器在柔性襯底上仍能很好地工作, 其性能基本不受施加應力的變化而改變, 從而為將來應用於柔性電子學器件領域提供了可能.
這種基於超潔淨表面的二硫化鉬樣品加工得到的濕度感測器具有靈敏度高, 響應時間和恢複時間短, 使用壽命長, 空間解析度高等特性, 可以廣泛應用於未來無接觸定位系統及二維材料多功能柔性感測器陣列領域. 相關成果發表在《先進材料》上. 這項工作得到了中科院B類戰略性先導科技專項, 國家自然科學基金的資助.
圖1. (a) 利用金剝離方法進行器件加工的過程. (b) 氧化矽襯底上加工好的二硫化鉬場效應晶體管陣列光顯圖.
圖 2. (a) 隨濕度的增加二硫化鉬場效應晶體管輸出特性曲線的變化. (b) 轉移特性曲線隨相對濕度增加的改變. (c)電阻變化與相對濕度的對應關係.
圖3. 二硫化鉬濕度感測器的時間響應特性. (a)單個濕度脈衝情況下二硫化鉬濕度感測器的響應時間和衰減時間分別為~10s和~60s. (b)二硫化鉬濕度感測器的壽命測試.
圖4. 二硫化鉬濕度感測器的空間響應特性. (a)手指靠近二硫化鉬濕度感測器時, 器件電阻隨距離減小而指數增大. (b), (c)分別為器件陣列對外界濕度分布響應的電阻分布值及計算得到的相對濕度值.
