AFM：MXene原位形成多重肖特基势垒用于高灵敏气体传感器

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二维材料由于其独特的特性，如高的表面体积比，易于制作芯片，室温操作，以及从大块到原子薄层的传感性能增强等，在气体传感领域得到了广泛的应用。此外，它们还具有特殊的活性位点，如空位、缺陷和边缘结构，其官能团可以被修饰以实现不同的传感行为。

二维材料的气敏机理主要是表面电荷转移和肖特基势垒(SB)调制，当气体分子吸附在材料表面时，引起材料电阻的位移。在表面电荷转移过程中，气体分子与二维材料之间的相互作用会导致各种电阻行为的增加或减少，这取决于半导体的主要载流子和气体分子的供电子/吸电子性质。通过创建在金属和半导体界面上形成的SBs，可以进一步增强这种电阻变化。例如，强氧化气体可以使SB向上移动，在很大程度上抑制电子传输，当主要迁移率载流子是电子时，产生高的气体感应响应。

     近期，Korea Advanced Institute of Science and Technology（KAIST）Seon Joon Kim和Hee-TaeJung教授在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials上发表一篇题目为：In Situ Formation of Multiple Schottky Barriers in a Ti₃C₂ MXene Film and its Application in Highly Sensitive Gas Sensors的研究论文，在这项工作中，证明了根据多个SB位点的形成而增强的气体传感性能。TiO₂晶体在Ti₃C₂ MXene上原位形成，通过控制氧化实现从单一起始材料实现半导体/金属SB结。不同于以往对氧化MXenes的研究，氧化是在组装膜上进行的，将MXene薄片在水溶液中氧化，以氧化物装饰所有MXene薄片，确保膜组装后形成最大数量的SB连接。优化后的TiO₂/Ti₃C₂MXene材料在NO₂气体存在下的气敏性能优于原始Ti₃C₂ MXene。本文还通过透射电子显微镜(TEM)直接观察证实了片状SB位点的存在，并通过比较用商业TiO₂纳米颗粒合成的复合Ti₃C₂@TiO₂膜的传感性能，验证了SB的调制效果。

图1. TiO₂/Ti₃C₂MXene传感器的合成工艺示意图。

图2. TiO₂/Ti₃C₂MXene的XPS、XRD、Raman表征。

 

图3. Ti₃C₂以及TiO₂/Ti₃C₂的TEM图像。

 

图4.TiO₂/Ti₃C₂气体传感器的气敏性能。

 

图5.传感机理预期。

    综上所述，本文演示了在Ti₃C₂ MXene薄膜中原位形成片状SBs，并研究了取决于SB部位强度的气敏性能的增强。验证了利用SB位点增强这些薄膜的气体传感性能的可能性，例如当像NO₂这样的强氧化气体被用来极大地调节SB的位置时。优化合成的TiO₂/Ti₃C₂MXene气体传感器的气体响应比原始Ti₃C₂的气体响应高13.7倍，在室温下达到125 ppb NO₂气体的检测极限，说明TiO₂/Ti₃C₂ MXene气体传感器的灵敏度提高了。我们的新策略实现了对SB调制的精细控制，并使SB结的密度在单个气体传感通道内达到最大化，提出了一种通过简单方法提高气体传感性能的方法。