2D二硫化鉬/氧化石墨烯量子點納米複合材料實現理想濕度感測器

在《材料化學與物理學》雜誌上發表的一項研究表明使用2D二硫化鉬/氧化石墨烯量子點納米複合材料（MoS₂/GOQD nanocomposite）作為濕度感測器的傳感材料的可行性。

濕度控制和測量在一些應用中引起了很大的關注，如電子設備的製造。濕度感測器的有效性在很大程度上取決於傳感膜的靈敏度。二維（2D）納米材料和金屬氧化物半導體被廣泛地用作濕度檢測的傳感膜。

其中，二維過渡金屬硫化物由於其高的表面體積比和優異的載流子遷移率，在感測器的製造中獲得了比其他材料更突出的地位。

（圖片來源: PRO Stock Professional/Shutterstock.com）

與其他過渡金屬硫化物相比，MoS₂更適合用於濕度檢測。然而，恢復/反應時間慢和靈敏度低是MoS₂傳感薄膜的主要缺點，必須解決這些問題以提高基於MoS2薄膜的感測器的濕度檢測性能。

最近，一些研究表明，通過用金屬氧化物和金屬納米複合材料修飾MoS₂薄膜，可以改善MoS₂感測器的濕度感應性能。然而，基於MoS₂的改性感測器通常需要更高的操作溫度，這增加了感測器的整體製造成本。

在MoS₂薄膜中加入石墨烯及其衍生物，如GO，正日益成為改善MoS₂濕度感測器感應性能的有效途徑。例如，具有高質子導電性的2D二硫化鉬/氧化石墨烯量子點納米複合材料被用來成功製造高靈敏度的電阻式感測器。

由一些量子尺度的GO材料碎片組成的GOQD，由於其較大的比表面積和良好的親水性，與GO相比，更適合於濕度感應應用。此外，由GOQD製造的傳感膜擁有許多晶片間的空隙，這促進了水分子在濕敏膜內的滲透過程，並加速了感測器的濕敏反應。

因此，通過結合GOQD和MoS₂製作的基於MoS₂/GOQD的感測器有可能在靈敏度和回應/恢復時間方面提供更好的性能。在這項研究中，研究人員首次合成了基於MoS₂/GOQD複合膜的電容式濕度感測器，並研究了其濕度感應性能。

（圖片來源: Materials Chemistry and Physics）

最初，通過半導體製造工藝製備了插接電極（IDEs）。首先，通過熱氧化在N型矽片上製備400納米厚的二氧化矽層，然後通過磁控濺射在二氧化矽層的頂部沉積300納米/100納米厚的金/鈦層。通過光刻和濕法蝕刻製造了具有20微米寬間隙的金電極。在製作濕度感應膜之前，用乙醇和去離子水在超聲波清洗裝置中清洗30分鐘，並將其烘乾。

MoS₂/GOQD納米複合膜是通過一種簡單的溶液複合方法合成的。將GOQD和MoS₂的水懸浮液按固定比例混合，然後超聲處理一小時，得到MoS₂/GOQD複合懸浮液。隨後，將幾滴MoS₂/GOQD懸浮液通過微量吸管滴塗在金IDE上，並在45攝氏度下乾燥6小時，得到基於MoS₂/GOQD複合膜的感測器。

一個基於MoS₂/GOQD納米複合膜的感測器被成功製造出來。在合成的MoS₂/GOQD複合膜中觀察到了硫、鉬、氧和碳的元素形式，表明該複合膜的製造是成功的。在MoS₂/GOQD複合膜中，GOQD和MoS₂緊密接觸，這促進了載流子的轉移，並明顯促進了水分子的解吸和吸附。

基於MoS₂/GOQD薄膜的感測器對不同的RH水準顯示出明顯的高回應。與純GOQD和MoS₂感測器相比，MoS₂/GOQD複合薄膜感測器的靈敏度也大大高於每相對濕度369皮法拉。

此外，該感測器顯示出良好的長期穩定性、快速的回應/恢復速度、低滯後性和良好的重複性。此外，與之前報導的感測器相比，這項研究中製作的納米複合材料感測器顯示出更好的傳感性能，這表明這些感測器在實際應用中的潛力。總而言之，其結果表明2D二硫化鉬/氧化石墨烯量子點納米複合材料可以成為製造濕度感測器的有效傳感材料。

這項題為“High-sensitive humidity sensor based on MoS₂/graphene oxide quantum dot nanocomposite”的研究已於2022年4月20日發表在《材料化學與物理》雜誌上，第一作者為中國成都科技大學學院的Xiaoyu Li。

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