2D二硫化钼/氧化石墨烯量子点纳米复合材料实现理想湿度传感器

在《材料化学与物理学》杂志上发表的一项研究表明使用2D二硫化钼/氧化石墨烯量子点纳米复合材料（MoS₂/GOQD nanocomposite）作为湿度传感器的传感材料的可行性。

湿度控制和测量在一些应用中引起了很大的关注，如电子设备的制造。湿度传感器的有效性在很大程度上取决于传感膜的灵敏度。二维（2D）纳米材料和金属氧化物半导体被广泛地用作湿度检测的传感膜。

其中，二维过渡金属硫化物由于其高的表面体积比和优异的载流子迁移率，在传感器的制造中获得了比其他材料更突出的地位。

（图片来源: PRO Stock Professional/Shutterstock.com）

与其他过渡金属硫化物相比，MoS₂更适合用于湿度检测。然而，恢复/反应时间慢和灵敏度低是MoS₂传感薄膜的主要缺点，必须解决这些问题以提高基于MoS2薄膜的传感器的湿度检测性能。

最近，一些研究表明，通过用金属氧化物和金属纳米复合材料修饰MoS₂薄膜，可以改善MoS₂传感器的湿度感应性能。然而，基于MoS₂的改性传感器通常需要更高的操作温度，这增加了传感器的整体制造成本。

在MoS₂薄膜中加入石墨烯及其衍生物，如GO，正日益成为改善MoS₂湿度传感器感应性能的有效途径。例如，具有高质子导电性的2D二硫化钼/氧化石墨烯量子点纳米复合材料被用来成功制造高灵敏度的电阻式传感器。

由一些量子尺度的GO材料碎片组成的GOQD，由于其较大的比表面积和良好的亲水性，与GO相比，更适合于湿度感应应用。此外，由GOQD制造的传感膜拥有许多晶片间的空隙，这促进了水分子在湿敏膜内的渗透过程，并加速了传感器的湿敏反应。

因此，通过结合GOQD和MoS₂制作的基于MoS₂/GOQD的传感器有可能在灵敏度和响应/恢复时间方面提供更好的性能。在这项研究中，研究人员首次合成了基于MoS₂/GOQD复合膜的电容式湿度传感器，并研究了其湿度感应性能。

（图片来源: Materials Chemistry and Physics）

最初，通过半导体制造工艺制备了插接电极（IDEs）。首先，通过热氧化在N型硅片上制备400纳米厚的二氧化硅层，然后通过磁控溅射在二氧化硅层的顶部沉积300纳米/100纳米厚的金/钛层。通过光刻和湿法蚀刻制造了具有20微米宽间隙的金电极。在制作湿度感应膜之前，用乙醇和去离子水在超声波清洗装置中清洗30分钟，并将其烘干。

MoS₂/GOQD纳米复合膜是通过一种简单的溶液复合方法合成的。将GOQD和MoS₂的水悬浮液按固定比例混合，然后超声处理一小时，得到MoS₂/GOQD复合悬浮液。随后，将几滴MoS₂/GOQD悬浮液通过微量吸管滴涂在金IDE上，并在45摄氏度下干燥6小时，得到基于MoS₂/GOQD复合膜的传感器。

一个基于MoS₂/GOQD纳米复合膜的传感器被成功制造出来。在合成的MoS₂/GOQD复合膜中观察到了硫、钼、氧和碳的元素形式，表明该复合膜的制造是成功的。在MoS₂/GOQD复合膜中，GOQD和MoS₂紧密接触，这促进了载流子的转移，并明显促进了水分子的解吸和吸附。

基于MoS₂/GOQD薄膜的传感器对不同的RH水平显示出明显的高响应。与纯GOQD和MoS₂传感器相比，MoS₂/GOQD复合薄膜传感器的灵敏度也大大高于每相对湿度369皮法拉。

此外，该传感器显示出良好的长期稳定性、快速的响应/恢复速度、低滞后性和良好的重复性。此外，与之前报道的传感器相比，这项研究中制作的纳米复合材料传感器显示出更好的传感性能，这表明这些传感器在实际应用中的潜力。总而言之，其结果表明2D二硫化钼/氧化石墨烯量子点纳米复合材料可以成为制造湿度传感器的有效传感材料。

这项题为“High-sensitive humidity sensor based on MoS₂/graphene oxide quantum dot nanocomposite”的研究已于2022年4月20日发表在《材料化学与物理》杂志上，第一作者为中国成都科技大学学院的Xiaoyu Li。

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