基于第一性原理的二维材料黑磷砷气体传感器的机理研究*

徐强 段康 谢浩 张秦蓉 梁本权 彭祯凯 李卫2)3)4)†

1) (南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院, 江苏省光通信工程技术研究中心, 南京 210023)

2) (华南理工大学, 发光材料与器件国家重点实验室, 广州 510641)

3) (东南大学, 毫米波国家重点实验室, 南京 210096)

4) (南京大学物理学院, 固体微结构物理国家重点实验室, 南京 210093)

1 引 言

空气污染是现在人类需要共同面对的问题, 如何检测以氮、硫化合物为代表的空气污染物对于人类健康、农业生产、气候有着重要意义[1].比如空气中SO2浓度增加会引起酸雨, 对农业生产造成极大的影响[2]; 空气中NO2浓度提升会造成慢性支气管炎等呼吸道疾病[3].因此开发具有高灵敏度、高选择性、低功耗的气体传感器十分必要.半导体气体传感器具有灵敏度高、成本低和便于集成等优点, 一直是研究的热点方向.由于传统的金属氧化物半导体气体传感器灵敏度有限, 研究员便提出两种方法加以改进.一是对现有材料进行化学修饰[4-6]; 二是采用一些新兴的二维材料[7-9], 这两者都可以显著提高气敏传感器的灵敏度.

二维纳米材料由于其较大的比表面积、高载流子迁移率和低功耗成为气敏传感器的理想材料.自从2004石墨烯发现以来[10], 研究员们就对二维材料的气敏特性开展了广泛研究, 发表了许多关于二维材料石墨烯或过渡金属二硫化物(transition metal disulfides, TMDs)的气体吸附性工作的文章[11-14].然而石墨烯固有的零带隙的特性限制了它作为气敏材料的响应灵敏度[15].过渡……