自组装的垂直堆叠范德华力In?O?/In?S?异质结，用于超灵敏的室温NO?气体检测

《Journal of Colloid and Interface Science》：Self-assembled vertically stacked van der Waals In 2O 3/In 2S 3 heterojunction for ultra-sensitive room-temperature NO 2 gas detection

范德华异质结传感器在室温下对NO?表现出高灵敏度（27.3），通过层叠自组装法制备In?O?/In?S?异质结，优化了界面电荷转移和吸附动力学，实现低检测限（20.6 ppb）和高稳定性。

　　
随着物联网技术的快速发展，智能城市对气体传感器的需求日益增长。传统化学电阻式传感器常面临工作温度高、能耗大、易受环境干扰等问题，而基于二维材料的异质结传感器因其独特的物理化学特性，成为提升气体检测性能的重要方向。近日，成都大学先进研究学院团队在《Advanced Materials》发表论文，报道了一种通过溶液法自组装制备的垂直型In?O?/In?S?范德华异质结，在NO?检测中展现出突破性性能。

研究团队首先系统分析了NO?气体检测的技术瓶颈。煤燃烧等工业排放产生的NO?虽浓度较低（ppm级），但具有强氧化性和生态毒性。传统传感器需在高温（通常300℃以上）下工作，这不仅增加设备复杂度，还存在安全隐患。而二维材料因其原子级厚度、高比表面积和优异载流子迁移特性，在室温气体传感领域展现出独特优势。然而，单一二维材料存在响应度不足、选择性和稳定性受限等问题，这促使研究者探索异质结的协同效应。

在材料制备方面，团队创新性地采用"两步溶液法"实现异质结的原子级精确组装。首先通过水热法分别合成In?S?和In?O?单层纳米片，利用超声处理和离心技术获得厚度可控的纳米悬浮液。随后通过静电自组装技术，在硅基底材上逐层沉积这两种材料，形成厚度仅5.6纳米的垂直异质结。这种方法的突破性在于，既避免了机械剥离法制备异质结的层数受限问题，又规避了CVD法设备成本高昂的缺陷，为大规模生产提供了可行路径。

结构表征数据显示，异质结的晶格参数分别为In?S?的0.33纳米（311晶面）和In?O?的0.18纳米（440晶面），X射线衍射图谱中两种材料的特征峰均清晰可见，证实了异质结的垂直堆叠结构。电子显微镜观察表明，异质结界面结合紧密，无分层或裂纹现象。X射线光电子能谱分析显示，界面处的In3?发生还原反应，形成In??和In?的梯度分布，这种化学状态的变化为载流子调控奠定了基础。

在气体传感性能方面，该异质结传感器在425纳米蓝光激发下，对10ppm NO?展现出27.3的响应值，较纯In?O?（15.5）和In?S?（4.8）分别提升5.7倍和1.8倍。检测限低至20.6ppb，且在湿度高达46%的环境下仍保持稳定响应。值得注意的是，异质结的响应时间（约720秒）和恢复时间（约500秒）虽略长于单一材料，但这种特性恰恰印证了其深层吸附机制——NO?分子在界面处形成分子层吸附，需要更长时间完成脱附。通过循环测试发现，异质结传感器在连续暴露NO?气体30天后，响应值仍保持初始值的95%，显示出优异的长期稳定性。

机理研究揭示了界面工程的关键作用。异质结形成II型能带对齐结构（In?S?导带高于In?O?价带），在界面处产生约0.8伏的内建电场。这种电场效应实现了双重增强：一方面促进异质结两侧载流子的定向迁移，形成高效电荷分离中心；另一方面通过场增强效应使表面吸附能提升，NO?分子与In?O?的电子转移效率提高3倍以上。紫外-可见吸收光谱显示，异质结在可见光区（400-700nm）的吸收强度比单一材料增强40%，特别是425nm处的吸收峰与NO?的分子振动特征吻合，为光激发增强效应提供了理论支撑。

选择性测试进一步验证了该传感器的环境适应性。在H?S（50ppm）、NH?（300ppm）、CO（500ppm）等常见干扰气体共存时，异质结传感器仍保持对NO?的特异性响应（选择性系数达2.84），远超同类氧化物传感器。实验发现，这种高选择性源于异质结界面的动态电荷平衡机制——当干扰气体吸附时，内建电场通过调节界面势垒，优先抑制非目标气体的吸附反应。

研究团队还创新性地提出了"光-气-电"协同作用模型。在可见光激发下，In?S?层首先产生光生电子-空穴对，这些载流子被异质结内建电场定向传输至In?O?层。NO?分子在电场驱动下优先吸附于In?O?表面，引发氧化还原反应生成活性氧物种（如O???），该过程通过界面电荷的再分配形成正反馈机制，使响应值呈指数增长。该模型成功解释了异质结在低浓度（10ppb）下仍能保持高灵敏度的根本原因。

在应用场景方面，该传感器展现出物联网设备所需的特性：工作温度仅60℃（低于传统传感器80℃）、响应时间<10分钟、功耗<0.5W/cm2。测试显示，在5%湿度、25℃环境条件下，传感器对10ppm NO?的响应时间仅需28秒，恢复时间35秒，满足实时监测需求。此外，其厚度仅5.6纳米，可无缝集成于柔性电子皮肤或可穿戴设备中，这对智能城市环境监测网络至关重要。

该研究为二维异质结传感器的开发提供了新范式。通过精确控制异质结的组分比例（In?O?:In?S?=1:1）和界面接触面积（原子级匹配），团队实现了载流子传输效率的优化。这种"成分梯度+电场梯度"的双梯度设计思路，可能推广至其他气敏材料体系，如MoS?/WSe?、石墨烯/氮化硼等异质结，为下一代低功耗、高选择性的气体传感器开发开辟新路径。

在产业化应用方面，研究团队已建立标准化制备流程：采用乙醇-水混合溶剂（体积比1:1）作为分散介质，通过旋涂-热解两步法可在玻璃、塑料等柔性基底上连续沉积异质结薄膜。批量测试显示，传感器的一致性误差控制在±5%以内，良品率达92%，这为大规模生产奠定了基础。目前团队正与物联网企业合作，开发基于该传感器的微型环境监测终端，计划在交通枢纽、工业园区等场景部署。

该研究不仅突破了单一二维材料性能瓶颈，更开创了"光-机-电"多场耦合的气体传感新机制。通过调控异质结界面的化学势差和光生载流子输运路径，实现了对目标气体分子的高效捕获与信号放大。这种界面工程策略可进一步扩展至其他气体检测领域，如挥发性有机物（VOCs）、乙醇等，对构建多参数智能监测系统具有重要参考价值。

未来研究将聚焦于异质结的大规模制备工艺优化，以及不同气体分子的响应机制比较。团队计划引入金属有机框架（MOFs）作为载体，通过"异质结+MOFs"复合结构增强气体吸附的特异性。同时，探索光-热协同调控机制，开发可在自然光下工作的自供能传感器，这将极大拓展其在户外环境监测中的应用场景。

这项工作的成功实施，标志着我国在二维材料异质结传感器领域达到国际领先水平。其核心突破在于将传统异质结的"物理堆叠"升级为"化学-电学协同设计"，通过精准调控界面能带结构，实现了气体传感性能的跨越式提升。这为解决物联网设备中"小型化、低功耗、高灵敏度"的终极矛盾提供了新思路，对推动环境监测智能化具有重要实践意义。