在采用高性能光敏半导体阴极的冷微等离子体装置中，压力驱动增强发射现象的特殊性

《Vacuum》：PECULIARITIES OF PRESSURE-DRIVEN ENHANCED EMISSION IN A COLD MICROPLASMA DEVICE WITH HIGH-PERFORMANCE PHOTOSENSITIVE SEMICONDUCTING CATHODE

MoS?@SnO? NT复合材料通过热溶剂法复合SnO?纳米管与MoS?纳米花，显著降低乙醇检测限至5 ppm，响应时间缩短8.2倍，并提升灵敏度和湿度稳定性，归因于n-n异质结的形成。

　　

夏龙鑫|刘青宇|徐家鹏|唐伟

山东师范大学物理与电子学院，中国山东省济南市250014

摘要

为了解决二硫化钼（MoS₂）传感器在潮湿环境中响应恢复特性差和性能不稳定的问题，本研究采用金属氧化物（SnO₂）对MoS₂进行了改性。分别通过电纺和水热法制备了SnO₂纳米管（NTs）和MoS₂纳米花。然后通过热溶剂法将这两种材料复合成MoS₂@SnO₂ NT。实验结果表明，与纯MoS₂相比，复合材料MoS₂@SnO₂ NT的检测限显著降低（从50 ppm降至5 ppm），响应时间提高了8.2倍。此外，其灵敏度、可靠性和抗湿性也得到了显著提升。这些发现为气体传感器在潮湿环境中的长期稳定运行提供了潜在的解决方案，使得气体传感器能够在潮湿环境中长时间稳定工作。MoS₂@SnO₂ NT的气体传感性能的改善主要归因于n-n异质结的形成。

引言

空气污染已成为全球公认的严重问题[1]。虽然工业生产为人类带来了巨大的利益，但同时也不可避免地向环境中释放了大量有毒的挥发性有机化合物（VOCs）。这些有毒气体主要包括NO₂、NO、CO、SO₂和O₃[2]、[3]、[4]、[5]。众所周知，有毒气体对人体健康有害。例如，长期暴露在80至100 ppm的CO浓度下会干扰心率；过量接触SO₂可能损害眼睛、肺部和喉咙；NO₂可引发支气管炎和肺水肿等多种呼吸系统疾病[6]、[7]、[8]。此外，这些有毒气体还可能通过大气化学反应生成二次污染物，如臭氧（O₃）和细颗粒物（PM_2.5），进一步加剧空气污染。这导致酸雨增加、土壤和水体酸化以及生物多样性减少，严重破坏生态平衡。为了更好地检测和控制这些有毒气体的排放，人们对气体传感器进行了大量研究。

二维（2D）纳米材料由于其独特的结构，具有高比表面积、丰富的活性位点和低功耗等显著优势[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。这些优异的性能使得2D纳米材料成为制造气体传感器的理想选择。MoS₂作为一种典型的纳米材料，已被广泛研究。与传统2D材料（如石墨烯）相比，通过改变材料层数可以调节MoS₂的带隙宽度[15]、[16]、[17]、[18]。这种可调的电学特性使MoS₂传感器能够在气体分子吸附和脱附时产生敏感的电信号变化，显著提升了传感器性能，使其成为气体传感器领域极具前景的材料[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。尽管具有许多优点，单层MoS₂易受空气中O₂的影响，存在响应时间长、响应后无法恢复、气体选择性差以及实际应用中工作条件苛刻等问题。克服这些挑战已成为当前的研究热点。主流研究集中在量子点修饰和一维（1D）材料掺杂（如PbS、ZnO）上。由一维金属氧化物纳米材料制成的气体传感器具有响应和恢复时间快、灵敏度高和稳定性好的特点[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。1D材料还具有尺寸小和形状规则的优点，非常适合用于修饰其他材料并调节修饰材料的气体选择性。SnO₂纳米管作为一种常见的1D材料，因其气体传感性能而被广泛研究[29]、[30]、[31]、[32]。得益于其优异的气体传感响应和稳定性，SnO₂纳米管一直是气体传感半导体材料领域的研究热点。韩玉桐等人[9]表明，用氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）对MoS₂进行表面修饰后制备的传感器，其响应值比纯MoS₂纳米片制备的传感器高出11倍。这些传感器还表现出超快的响应时间和可靠的长期稳定性、优异的选择性以及低检测浓度。白雪等人[32]构建了一种p-n异质结构，其中1D SnO₂纳米管垂直生长在2D MoS₂纳米片表面上，在室温下对NO₂的响应值为34.67至100 ppm，响应时间低至2.2秒。

分别通过水热法和电纺法制备了MoS₂纳米花和SnO₂纳米管，然后使用热溶剂法制备了MoS₂@SnO₂ NT复合气体传感器用于乙醇检测。对MoS₂@SnO₂ NT的微观形态和结构组成进行了表征和分析，并比较了单体和复合材料在工作温度、选择性和响应恢复特性方面的差异。气体传感测试结果表明，MoS₂@SnO₂ NT复合材料对乙醇具有良好的选择性和恢复特性，其工作温度比未改性的SnO₂ NT传感器降低了200°C。结果表明，用SnO₂对MoS₂纳米花进行表面修饰可以提升其气体传感性能。

部分内容摘录

MoS₂纳米花的合成

在本研究中，采用水热法合成了二硫化钼（MoS₂）纳米花。首先，使用精密天平称量0.4407克(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O和0.76克CH₄N₂S，Mo:S摩尔比为1:4。将这些前驱体溶解在5毫升乙醇和5毫升去离子水中，然后在室温下磁力搅拌2小时直至完全溶解，得到无色透明溶液。

表征结果

如图2所示，对SnO₂ NTs、MoS₂和MoS₂@SnO₂ NTs进行了扫描电子显微镜（SEM）表征，以观察制备样品的形态。SnO₂纳米管的制备主要包含两个步骤：电纺和煅烧。图2a显示了通过电纺得到的SnCl₂-PVP纳米纤维膜的微观图像。在25 kV电压、30°C温度和30%湿度条件下进行电纺后，纳米纤维表现出

结论

在本论文中，通过逐步水热法合成了MoS₂@SnO₂ NT纳米材料。SEM分析显示，MoS₂@SnO₂ NTs的形态特征为表面分布着纳米管的纳米花状结构。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）分析证实，MoS₂纳米花和SnO₂纳米管分别由二维纳米片和零维颗粒组成。能谱（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）表征表明其中含有Mo元素

CRediT作者贡献声明

唐伟： 资金获取。夏龙鑫： 形式分析。刘青宇： 形式分析。徐家鹏： 方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（61801276）和山东省自然科学基金（ZR2024MF122,ZR2018BF003）的支持。