二硫化钼/氧化铜异质结复合材料在室温丙酮气体传感中的性能研究与机制分析

本研究针对糖尿病呼气诊断中丙酮检测的灵敏度与选择性难题，通过水热法制备MoS2/CuO异质结复合材料，实现了室温下7.01的高响应值、85/177秒的快速响应/恢复时间，其p-n结界面耗尽区调控机制为低功耗气体传感器开发提供新思路。

　　

在糖尿病管理领域，呼气丙酮浓度检测作为无创监测手段备受关注。健康人呼气丙酮浓度通常低于0.8 ppm，而糖尿病患者则超过1.8 ppm。然而传统金属氧化物半导体(MOS)传感器存在工作温度高（通常需200-400°C）、选择性差等瓶颈。特别是铜氧化物(CuO)虽具成本优势，但其p型半导体特性限制了电子迁移效率。

江苏省"科技创业"计划资助项目团队创新性地将二维材料二硫化钼(MoS₂)与CuO复合，利用MoS₂的n型特性与CuO形成p-n异质结。通过两步水热法构建的复合材料展现出独特的界面效应：丙酮分子吸附会显著改变异质结耗尽区宽度，使电阻变化幅度较单一材料提升近3倍。该成果发表于《Materials Science and Engineering: R: Reports》，为可穿戴医疗设备开发提供了新材料解决方案。

研究采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，扫描电镜(SEM)观测到3μm的MoS₂纳米片与200nm的卷曲边缘结构，透射电镜(TEM)证实了CuO纳米颗粒的均匀分布。X射线光电子能谱(XPS)验证了界面电荷转移，能量色散谱(EDS)则确认元素组成。气体测试系统在室温下评估了传感器性能。

【Abstract】部分显示该传感器对100ppm丙酮的响应值达7.01，远超同类材料。【Introduction】指出其临床价值在于解决了传统传感器需要加热元件的能耗问题。【Materials】章节详细介绍了采用(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O和Cu(NO₃)₂·3H₂O为前驱体的合成路线。【Morphological and structural characterization】通过显微图像证实材料具有利于气体吸附的开放结构。

研究结论强调，MoS₂/CuO异质结通过能带结构调整实现了室温高效传感：CuO的空穴积累层与MoS₂的电子富集层形成内建电场，丙酮分子作为电子给体显著改变界面势垒。该工作由Arslan Shahid等完成，通讯作者Guanjun Qiao指出，这种材料体系可扩展至其他挥发性有机物(VOCs)检测，其水热合成工艺适合规模化生产。沙特国王大学合作团队在稳定性测试中发现，经过30天连续工作后传感器性能衰减不足5%，展现出良好的商业化前景。