综述：用于高性能气体传感的二维过渡金属硫族化合物工程研究进展

《Sensors and Actuators A: Physical》：Recent advances in engineering 2D transition metal dichalcogenides for high-performance gas sensing

本综述系统梳理了二维过渡金属硫族化合物（TMD）气体传感器的最新进展，重点探讨了通过化学气相沉积（CVD）、等离子体功能化等合成方法调控缺陷密度、相变和表面化学，分析了MoS2、WS2等材料的电荷转移、缺陷介导吸附等传感机制，并展望了其在可穿戴设备和物联网（IoT）系统的应用前景。

　　

二维过渡金属硫族化合物（TMD）因其原子级厚度、高比表面积和可调电子结构，已成为高性能气体传感领域的新兴材料。本文将从基础特性、合成策略、传感机制到系统集成，全面阐述TMD气体传感器的最新进展。

基本特性

TMDs由过渡金属原子（如Mo、W）夹在两层硫族原子（S、Se、Te）之间形成层状结构，层间通过弱范德华力连接。单层TMDs的带隙约为1-2 eV，具有高载流子迁移率和丰富的表面吸附位点。金属相TMDs具有更高载流子密度和更低接触电阻，可增强电荷转移并加速室温下的响应/恢复过程。Janus结构（上下层硫族原子不对称）产生面外偶极，可调控功函数和能带对齐，为提升选择性提供新途径。

合成策略

化学气相沉积（CVD）可制备大面积、高质量TMD薄膜，但需精确控制前驱体比例与基底温度。机械剥离法能获得本征晶体结构，但产率低且尺寸不均。液相剥离法适合大规模生产，但易引入结构缺陷。等离子体处理可通过刻蚀或官能团修饰精准调控表面化学性质，例如增加硫空位以增强NO₂吸附能力。这些方法共同调控结晶度、层数、缺陷密度等关键参数，直接影响传感性能。

传感机制与性能优化

气体分子与TMDs的作用机制主要包括电荷转移（如NO₂吸电子导致p型TMD电导率下降）和缺陷介导吸附（氧空位促进O₂离解生成活性氧物种）。通过贵金属修饰（Pt纳米颗粒修饰WS₂）、异质结构建（MoS₂/石墨烯）可调制界面势垒，将检测限降至ppb级。光激活策略利用可见光激发电子-空穴对，加速气体解吸从而缩短恢复时间。柔性传感器需关注应变诱导带隙调制特性，确保在弯曲条件下信号稳定性。

应用场景

TMD传感器在环境监测（大气污染物检测）、工业安全（易燃气体泄漏预警）、医疗诊断（呼气丙酮标志物分析）等领域展现潜力。可穿戴平台需克服湿度干扰与机械形变挑战，例如通过聚合物封装抑制漂移。物联网（IoT）集成强调低功耗设计与长期稳定性，如微加热器辅助的脉冲式工作模式可进一步降低能耗。

结论

TMD气体传感器正从材料探索迈向系统集成。未来研究需聚焦于标准化性能评估流程、湿度补偿算法开发以及规模化制造工艺的兼容性，最终推动其在智慧医疗、环境物联网等场景的商业化应用。