Desempenho de detecção de H2 altamente aprimorado de heterojunções MoS2 / SiO2 / Si de poucas camadas por decoração de superfície de nanopartículas de Pd

Resumo

Um novo MoS de poucas camadas ₂ / SiO ₂ A heterojunção de / Si é fabricada por meio da técnica de pulverização catódica de magnetron DC e as nanopartículas de Pd são posteriormente sintetizadas na superfície do dispositivo. Os resultados demonstram que o sensor fabricado exibe respostas altamente aprimoradas para H ₂ à temperatura ambiente devido à decoração de nanopartículas de Pd. Por exemplo, o MoS decorado com Pd ₂ / SiO ₂ A heterojunção / Si mostra uma resposta excelente de 9,2 × 10 ³ % para H ₂ , que é muito maior do que os valores para Pd / SiO ₂ / Si e MoS ₂ / SiO ₂ Heterojunções / Si. Além disso, o H ₂ as propriedades de detecção da heterojunção fabricada são amplamente dependentes da espessura da camada de nanopartículas de Pd e há uma espessura de Pd otimizada para o dispositivo para atingir as melhores características de detecção. Com base na caracterização da microestrutura e medições elétricas, os mecanismos de detecção do MoS decorado com Pd ₂ / SiO ₂ Heterojunção / Si são propostas. Estes resultados indicam que a decoração Pd de MoS de poucas camadas ₂ / SiO ₂ As heterojunções / Si apresentam uma estratégia eficaz para a fabricação escalonável de H ₂ de alto desempenho sensores.

Histórico

Como uma fonte de energia limpa e abundante, o hidrogênio (H ₂ ) tem sido utilizado em vários tipos de células de combustível. Ao mesmo tempo, H ₂ é um gás insípido, incolor e explosivo, o que pode causar alguns problemas de segurança [1]. Para uma operação segura, H ₂ sensores são, portanto, cruciais para detectar e monitorar H ₂ vazamentos em tempo real. Atualmente, os sensores de óxido metálico são eficazes para a detecção de H ₂ [2,3,4,5]. No entanto, H ₂ à base de óxido de metal os sensores requerem alta temperatura de operação (~ 150 ° C), o que pode representar um risco para a segurança, uma vez que H ₂ é altamente inflamável. A este respeito, é altamente desejável sintetizar novos materiais sensíveis para desenvolver H ₂ confiável sensores que podem operar em temperatura ambiente (RT).

Bissulfeto de molibdênio (MoS ₂ ), como um candidato típico de análogos do grafeno e um membro dos dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), recentemente chamou a atenção devido às suas excelentes propriedades [6,7,8,9,10]. Estruturalmente, cada MoS ₂ a camada unitária é composta de átomos de Mo-S covalentemente ligados e as camadas vizinhas se ligam por forças de van der Waals. Essas características, por um lado, prometem MoS bidimensional (2D) ₂ uma alta relação superfície-volume. Por outro lado, MoS ₂ pode ser esfoliado em monocamada ou em poucas camadas facilmente devido às forças de van der Waals fracas entre as camadas atômicas. Mesmo com as qualidades desejáveis do MoS ₂ para uma variedade de aplicações, a fabricação de MoS ₂ de grande área e alta qualidade os filmes ultrafinos continuam sendo um desafio até hoje. Abordagens convencionais, como esfoliação mecânica [11,12,13], produzem flocos localizados em camadas que não são escaláveis para aplicações de dispositivos de grandes áreas. Nos últimos anos, a deposição de vapor químico tem sido explorada para a produção de MoS ₂ em grandes áreas filmes mono / poucas camadas [14,15,16]. No entanto, esta técnica requer altas temperaturas de processo na faixa de 800-1000 ° C, o que pode causar séria volatilidade do enxofre nas camadas e a difusão na interface. Assim, é necessário desenvolver métodos de síntese alternativos capazes de cultivar MoS ₂ em grandes áreas filmes ultrafinos. Recentemente, a deposição de vapor físico, principalmente incluindo a técnica de pulverização catódica e deposição de camada pulsada [17,18,19,20,21,22], provou ser outra abordagem eficaz para realizar o crescimento de MoS em escala de wafer ₂ filmes mono / poucas camadas a uma temperatura de crescimento muito mais baixa de cerca de 300 ° C. Os resultados demonstram que o MoS de poucas camadas pulverizado ₂ os filmes exibem características de transporte notáveis, como uma alta mobilidade de aproximadamente 181 cm ² / Vs e uma grande relação liga / desliga atual de ~ 10 ⁴ [20].

Com base na grande proporção de superfície para volume e excelentes propriedades de transporte de semicondutores, MoS mono / poucas camadas ₂ espera-se que os filmes sejam candidatos potenciais para aplicações de detecção. Os pesquisadores realizaram muitos estudos sobre as propriedades de detecção do MoS ₂ filmes ultrafinos para muitos tipos de gases químicos, como NH ₃ , NÃO, NÃO ₂ , etc. [23,24,25,26,27,28,29,30]. Essas moléculas de gás pertencem a estruturas polares e as cargas podem ser trocadas facilmente entre a superfície do MoS ₂ e as moléculas acima. Assim, MoS ₂ dispositivos baseados em apresentam alto desempenho de detecção para as moléculas de pólo, como alta sensibilidade, limite de detecção ultrabaixo e resposta de alta velocidade. No entanto, é muito difícil para H ₂ a ser detectado pelo MoS ₂ devido à sua natureza apolar. Decoração MoS ₂ nanofolhas com nanopartículas de paládio metálico (Pd) podem aumentar a resposta do sensor e, especialmente, o MoS decorado com Pd ₂ compostos mostraram resposta óbvia para H ₂ devido ao efeito catalítico do Pd [31, 32]. No entanto, o H ₂ sensibilidade do MoS decorado com Pd relatado ₂ os sensores estão baixos. Em nossos estudos anteriores [33, 34], propusemos heterojunção tipo H ₂ dispositivos sensores combinando MoS ₂ filmes com Si. Como se sabe, o Si está dominando o mercado de dispositivos eletrônicos comerciais devido à sua alta abundância e tecnologia de processamento madura. Ele fornece uma rota simples para desenvolver dispositivos aplicáveis de forma prática por meio da integração do MoS ₂ em Si [35,36,37,38]. Nossos resultados demonstram que o MoS ₂ / SiO ₂ Heterojunções / Si como H ₂ sensores exibem alta sensibilidade, cerca de 10 ⁴ % No entanto, o tempo de resposta e recuperação é muito longo, ~ 443,5 s. A velocidade de resposta lenta é causada principalmente pelas dificuldades de difusão de H nos filmes espessos. Com base na análise acima, o desempenho de alta sensibilidade seria realizado por meio da integração do MoS de poucas camadas 2D ₂ filmes em bolachas de Si. Até onde sabemos, nenhum resultado relacionado foi apresentado anteriormente.

Neste trabalho, relatamos o crescimento de MoS em escala de wafer e poucas camadas ₂ filmes ultrafinos em SiO ₂ / Si usando a técnica de pulverização catódica DC e a decoração da superfície do MoS ₂ são realizados pela síntese de nanopartículas de Pd. Além disso, o MoS decorado com Pd ₂ / SiO ₂ Heterojunções / Si mostram resposta elétrica óbvia para H ₂ e o desempenho pode ser caracterizado por uma alta sensibilidade, resposta rápida e recuperação. O efeito da espessura da camada de Pd em H ₂ o desempenho de detecção é mais estudado. O mecanismo de detecção é esclarecido pela construção do alinhamento da banda de energia na interface da heterojunção fabricada.

Métodos

MoS de poucas camadas ₂ os filmes foram cultivados em substratos de Si orientados (100) pela técnica de pulverização catódica DC magnetron. O caseiro policristal MoS ₂ alvo foi usado neste trabalho, e sua pureza era de cerca de 99%. Os substratos de Si usados neste trabalho eram semicondutores do tipo n, e a resistividade é de cerca de 1–6 Ω cm. Antes da deposição, as bolachas foram cortadas em fatias de 12,5 mm x 12,5 mm e limpas ultrassonicamente em sequência com álcool, acetona e água desionizada. Em seguida, os substratos foram mergulhados em solução de HF (~ 5%) por 60,0 s para remover a camada de óxido natural da superfície de Si. Depois disso, o tratamento de oxidação dos substratos foi realizado em solução de peróxido (~ 40,0%) a 100 ° C por 20,0 min para formar um SiO ₂ camada de passivação na superfície de Si. O SiO ₂ camada teve duas funções na heterojunção. O SiO ₂ camada pode fornecer superfície de substrato lisa para o crescimento em modo de camada 2D do MoS ₂ camadas. Simultaneamente, o SiO ₂ camada pode melhorar a interface do MoS ₂ / Si diminuindo a difusão entre o MoS ₂ e Si. Posteriormente, o MoS ₂ filmes foram cultivados no SiO ₂ -substratos de Si tamponados na temperatura de 450 ° C, respectivamente. Durante a deposição, a pressão do gás argônio e a potência de trabalho foram mantidas em 1,0 Pa e 10,0 W, respectivamente. Após o crescimento do MoS ₂ filmes, as camadas de nanopartículas de Pd com diferentes espessuras (1,0, 3,0, 5,0, 10,0, 15,0 e 30,0 nm) foram pulverizadas in situ e decoradas no MoS ₂ superfície, respectivamente. A temperatura de deposição, pressão de trabalho e potência foram RT (~ 300 K), 3,0 Pa e 10,0 W, respectivamente. Finalmente, almofadas de índio (In) de cerca de 300 μm de espessura com um diâmetro de 0,5 mm como eletrodos foram pressionadas na superfície do MoS decorado com Pd ₂ filmes e a parte traseira de Si como os eletrodos, respectivamente.

MoS ₂ os filmes foram caracterizados por espectroscopia Raman (HORIBA, HR800) com comprimento de onda de excitação de 488 nm. A superfície da amostra foi caracterizada por microscópio de força atômica (AFM). Os espectros de espectroscopia de fotoemissão de raios-X (XPS) foram realizados por um espectrômetro Kratos Axis ULTRA usando uma fonte de raios-X monocromática Al Kα (1486,6 eV). Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) foi realizada em um JEOL JEM-2100F. Os espectros de transmissão foram medidos por espectrofotômetro Shimadzu UV-3150. A espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta (UPS) foi realizada usando uma lâmpada de descarga de gás He-I não filtrada (21,22 eV).

Pela exposição dos sensores em diferentes concentrações de H ₂ em ar seco em RT, as propriedades de detecção foram medidas em uma câmara, onde o dispositivo sensor é montado e a corrente foi registrada por Keithley 2400 medidor-fonte. Para a recuperação dos sensores, a câmara foi aberta e o ar foi preenchido na câmara.

Resultados e discussão

A identificação química de MoS decorado com Pd ₂ filme é conduzido por XPS, como mostrado na Fig. 1. O espectro de pesquisa XPS da amostra é exibido na Fig. 1a. O espectro consiste em picos de Mo, S, Pd e O, o que implica síntese bem-sucedida de MoS ₂ com uma pequena quantidade de carbono residual no SiO ₂ Substrato / Si. Além disso, o pico C pode ser causado pelo gás residual durante a deposição. Como mostrado na Fig. 1b, os picos em 163,9 e 162,8 eV correspondem ao S 2p _1/2 e 2p _3/2 , respectivamente. O espectro de nível de núcleo Mo 3d é mostrado na Fig. 1c. The Mo 3d _3/2 e 3d _5/2 picos do MoS ₂ camada estão localizadas em 233,1 e 229,9 eV, respectivamente. Além disso, o pico S 2s aparece em 227,1 eV. Esses resultados estão quase de acordo com outros resultados [39, 40], sugerindo que o MoS pulverizado ₂ camadas têm boa estequiometria química. Conforme mostrado na Fig. 1d, dois picos em 340,9 e 335,5 eV são atribuídos a Pd 3d _3/2 e 3d _5/2 , respectivamente. As energias de ligação são semelhantes às dos metais Pd [41], demonstrando que o MoS de poucas camadas ₂ é coberto pela camada metálica de Pd e não ocorre nenhuma substituição óbvia de átomos de Mo com o dopagem de Pd.

a Pesquisa XPS, b S 2p, c Mo 3d e d Espectros de nível de núcleo Pd 3d do MoS decorado com Pd de 5 nm ₂ camadas no substrato de Si

A Figura 2a mostra as imagens AFM do MoS de poucas camadas ₂ . O MoS ₂ camada tem superfície lisa e nenhum crescimento óbvio é observado, demonstrando o crescimento em modo 2D do MoS ₂ filme. De acordo com nossos resultados, a rugosidade quadrática média (RMS) é de cerca de 0,78 nm. Após a deposição da camada de decoração de Pd de 5 nm, as quantidades de nanopartículas na superfície podem ser vistas claramente, como mostrado na Fig. 2b. Isso implica no crescimento em modo 3D semelhante a uma ilha da camada de Pd. O diâmetro médio das nanopartículas de Pd é de cerca de 47,7 nm, e a rugosidade da superfície aumentou ligeiramente para 0,89 nm devido à deposição das nanopartículas de Pd. Além disso, o tamanho das nanopartículas de Pd mostra uma dependência óbvia da espessura de deposição de Pd (Arquivo adicional 1:Figura S1). A Figura 2c mostra a imagem transversal HRTEM do MoS decorado com Pd ₂ camadas no substrato de Si. A camada Pd e MoS ₂ filme pode ser visto claramente a partir da figura. A partir da figura, a lacuna óbvia de ~ 7,2 nm na camada de Pd pode ser vista, conforme indicado pela seta vermelha na figura. Isso sugere que a camada de Pd de 5 nm é descontínua e grandes quantidades de nanopartículas de Pd são formadas no MoS ₂ superfície. The sputtered MoS ₂ o filme mostra a estrutura em camadas claras com 2–3 camadas S – Mo – S atômicas e a distância entre as camadas unitárias é de cerca de 0,65 nm, conforme mostrado na imagem HRTEM ampliada na Fig. 2d. A fim de ilustrar ainda mais a homogeneidade, espectros Raman do MoS de poucas camadas ₂ são retirados de quatro regiões diferentes da amostra, respectivamente. Independentemente da localização, dois modos ativos Raman típicos do MoS ₂ pode ser visto na Fig. 2e, o E ¹ _2g modo a ∼ 381,9 cm ⁻¹ e A _1g modo a ∼ 405,1 cm ⁻¹ . O E ¹ _2g modo corresponde aos átomos de enxofre e molibdênio oscilando em antifase paralelo ao plano do cristal e o A _1g modo corresponde aos átomos de enxofre oscilando na antifase fora do plano, como mostrado nas inserções à direita. A diferença do Raman muda entre o A _1g e E ¹ _2g , ~ 23,2 cm ⁻¹ reflete o número de MoS ₂ camadas. Este valor é maior do que a monocamada MoS ₂ [42,43,44], embora menor do que o volume [45,46,47], indicando a síntese de MoS de poucas camadas ₂ .

Imagens AFM do MoS ₂ camadas a sem decoração Pd, e b com decoração Pd de 5 nm. c Imagem HRTEM do MoS decorado com Pd ₂ camadas no substrato de Si. A seta vermelha denota a lacuna entre duas nanopartículas de Pd. d Imagem HRTEM ampliada. e Espectros Raman típicos do MoS conforme crescido ₂ camadas em Si de diferentes regiões da amostra

A fim de demonstrar as características de transporte do MoS decorado com Pd ₂ filmes, a dependência da resistividade ( ρ ) na temperatura ( T ) de diferentes amostras cultivadas em 300 nm SiO ₂ / Si substratos foram investigados, como mostrado na Fig. 3. A Figura 3a mostra o ρ - T curva para o MoS de poucas camadas ₂ e a inserção mostra a ilustração esquemática para as medições usando a técnica de van der Pauw. A resistividade do MoS ₂ diminui com o aumento da temperatura de medição, o que está de acordo com sua natureza semicondutora. A Figura 3b mostra o ρ - T curva da camada de Pd de 5 nm e a inserção mostra o ρ - T curva da camada de Pd de 10 nm. Devido à descontinuidade, a resistividade da camada de Pd de 5 nm diminui com o aumento da temperatura, mostrando as características do semicondutor. Quando a camada de Pd aumenta para 10 nm, a resistividade aumenta com o aumento da temperatura, como mostrado na inserção. Isso está de acordo com as características do metal, implicando que a camada de Pd torna-se contínua quando o Pd aumenta de 5 para 10 nm. Quando o MoS de poucas camadas ₂ é decorado com Pd de 5 nm, seu ρ - T a curva é mostrada na Fig. 3c. O MoS decorado com Pd ₂ o filme exibe características de semicondutor e sua resistividade diminui com o aumento das temperaturas. Além disso, a resistividade para o MoS decorado com Pd ₂ o filme tem cerca de 1,1 Ω cm. Este valor é muito menor do que aqueles para MoS único ₂ camada e camada de Pd de 5 nm, 29,6 e 9,5 Ω cm, respectivamente. A grande diminuição da resistividade do MoS decorado com Pd ₂ o filme deve ser induzido pela conexão efetiva entre a camada de Pd e o MoS de poucas camadas ₂ na interface. A Figura 3d mostra ainda a dependência da resistividade do MoS decorado com Pd ₂ filme sobre a espessura da camada de Pd ( d _Pd ) A resistividade do MoS decorado com Pd ₂ os filmes diminuem com o aumento da espessura do Pd, e a diminuição acentuada da resistividade é observada quando d _Pd> 5 nm. Isso significa que as nanopartículas de Pd descontínuas atingem a cobertura máxima na superfície das poucas camadas de MoS ₂ quando d _Pd é cerca de 5 nm.

Curva de resistividade-temperatura de diferentes amostras cultivadas em 300 nm SiO ₂ Substrato / Si. a MoS de poucas camadas ₂ . A inserção mostra a ilustração esquemática das medições. b Camada de Pd de 5 nm. A inserção mostra o ρ - T curva para a camada de Pd de 10 nm. c MoS decorado com Pd de 5 nm ₂ camadas. d Resistividade do MoS decorado com Pd ₂ camadas em função da espessura do Pd

A Figura 4a mostra a curva I-V do MoS decorado com Pd ₂ / SiO ₂ Junção / Si à temperatura ambiente e d _Pd =5,0 nm. A inserção mostra a ilustração esquemática das medições. Pela figura, a junção exibe um comportamento de retificação óbvio. A Figura 4b mostra o espectro de UPS do MoS de poucas camadas ₂ filme. A função de trabalho ( W ) do filme é calculado pela diferença entre o corte da maior energia de ligação e a energia do fóton da radiação de excitação [48], ~ 5,53 eV. A distância ( E _p ) entre a banda de valência ( E _V ) e nível de Fermi ( E _F ) do MoS ₂ o filme é extraído da energia inicial, conforme mostrado na inserção, ~ 0,48 eV. Do espectro de transmissão do MoS ₂ filme (Arquivo adicional 1:Figura S2), ( αhν ) ² é traçado como uma função da energia do fóton hν na Fig. 4c, em que h , ν , e α representam a constante de Planck, a frequência dos fótons e o coeficiente de absorção, respectivamente [49]. O gap de banda ( E _g ) do filme é determinado pela interceptação da linha em hν eixo, E _g =1,48 eV. Assim, o p -tipo de comportamento para o MoS conforme crescido ₂ filme pode ser provado. As medições de Hall mostram ainda que a concentração do portador do tipo buraco e a mobilidade são cerca de 4,38 × 10 ¹⁵ / cm ³ e 11,3 cm ² / Vs, respectivamente. O p As características do tipo podem ser causadas pela adsorção de outras moléculas de gás [39]. Com base nos resultados acima, os diagramas de banda de energia isolados do MoS de poucas camadas ₂ filme e n -Si são construídos, como mostrado na Fig. 4d. Na figura, W =4,21 eV, E _g =1,12 eV e E _p =0,92 eV para n -Si são usados [50]. Além disso, o SiO ₂ camada como a camada de passivação de superfície do substrato de Si é incorporada na interface no diagrama de banda de energia. Quando o MoS decorado com Pd ₂ filme é depositado sobre o substrato de Si, os elétrons fluem do substrato para o filme na interface devido ao maior E _F do Si. O processo de fluxo para quando os níveis de Fermi são iguais e o MoS decorado com Pd ₂ / Si p-n a junção é fabricada, conforme mostrado na Fig. 4d. Como resultado, um campo elétrico embutido ( V _bi ) é formado perto da interface e seus pontos de direção do substrato para o MoS ₂ . Assim, as características assimétricas e as características retificadoras óbvias podem ser observadas a partir da curva I-V na Fig. 4a. Em uma heterojunção de semicondutor [51], a corrente reversa pode ser descrita como
$$ {I} _ {-} \ propto \ exp \ left (- \ frac {qV_ {bi}} {k_0T} \ right) $$ (1)

a Características I-V de MoS decorado com Pd ₂ Heterojunção / Si. A inserção mostra a ilustração esquemática das medições. b Espectros UPS do MoS ₂ camadas sobre substrato de Si. c Curva de ( αhν ) ² vs hν do MoS ₂ camadas. O diagrama de banda de energia no MoS ₂ Interface / Si antes do contato ( d ) e após o contato ( e )

onde eu _- , q , k ₀ , e T representam a corrente reversa, a carga do elétron, a constante de Boltzmann e a temperatura. Assim, as correntes do MoS decorado com Pd ₂ / Si p-n a junção pode ser alterada ajustando o campo embutido V _bi .

A Figura 5a mostra o gráfico de semilogaritmo das curvas I-V medidas do MoS de poucas camadas decorado com Pd (5,0 nm) ₂ / SiO ₂ / Si p-n junção no ar e puro H ₂ em RT, respectivamente. Pela figura, óbvio H ₂ as características de detecção podem ser vistas na faixa de voltagem reversa. A sensibilidade ( S ) do dispositivo é definido como
$$ S =\ frac {I_ {H2}} {I _ {\ mathrm {air}}} \ times 100 \% $$ (2)

a Curvas LgI ~ V do MoS decorado com Pd ₂ Heterojunção / Si. b eu vs t gráficos do MoS decorado com Pd ₂ Heterojunção / Si exposta a H ₂ puro em - 1,0 V e RT. c , d Resposta ampliada e bordas de recuperação, respectivamente, da curva de detecção. O tempo de resposta ( t _res ) é o intervalo de tempo para a resposta aumentar de 10 a 90% da mudança total da corrente. O tempo de recuperação ( t _rec ) é o intervalo de tempo para a resposta diminuir de 90 a 10% da mudança total da corrente

onde eu _H2 e eu _ar representam a corrente sob H ₂ e ar condicionado, respectivamente. Em - 1,0 V, S é calculado, ~ 9,2 × 10 ³ % Este valor é muito maior do que o resultado (apenas 35,3%) do MoS ₂ de poucas camadas decorado com Pd único sensor [32]. Comparativamente, a sensibilidade de MoS de poucas camadas ₂ / SiO ₂ Heterojunção / Si sem decoração Pd e 5 nm Pd / SiO ₂ Heterojunção / Si sem o MoS de poucas camadas ₂ em nossos experimentos são apenas 15 e 133% (Arquivo adicional 1:Figura S3), respectivamente. Assim, o H ₂ as características de detecção podem ser bastante aprimoradas devido à conexão eficaz entre as nanopartículas de Pd e MoS de poucas camadas ₂ . Quando o MoS decorado com Pd ₂ é exposto em H ₂ , as nanopartículas de Pd como camada sensível reagem com moléculas de hidrogênio e hidreto de paládio (PdH _x ) é formado [52]. Consequentemente, grandes quantidades de elétrons são liberadas da camada de Pd e injetadas no MoS ₂ filme, resultando que os portadores do tipo orifício são compensados e a concentração do orifício diminui. Isso pode causar a mudança do nível de Fermi do MoS ₂ filme em direção à banda de condução de acordo e a altura da barreira induzida pelo V _bi no MoS ₂ A interface / Si diminui. De acordo com a Eq. 2, as correntes de junção aumentam após a exposição do dispositivo a H ₂ . Quando a heterojunção é tendenciosa positivamente, as características de detecção são muito mais pobres do que na faixa de polarização negativa, como mostrado na figura. Na faixa de voltagem positiva, grandes quantidades de elétrons são injetadas no MoS ₂ camadas do substrato de Si. Sob esta condição, os elétrons de PdH _x têm poucos efeitos na concentração de elétrons do MoS ₂ camada. Assim, a heterojunção mostra características de detecção não óbvias na faixa positiva. A Figura 5b apresenta a mudança de corrente reproduzível do MoS decorado com Pd ₂ / SiO ₂ / Si sensor em H ₂ condições em - 1,0 V e RT. Quando as condições são alteradas alternadamente entre ar e H ₂ , dois estados de corrente distintos para o sensor são mostrados, o estado de corrente “alto” no ar e o estado de corrente “baixo” em H ₂ , respectivamente. Conforme mostrado na figura, os estados “alto” e “baixo” são estáveis e bem reversíveis. As velocidades de resposta e recuperação são avaliadas pelas bordas de subida e descida, respectivamente, da curva de detecção, conforme mostrado na Fig. 5c, d. O tempo de resposta ( t _res ) é definido como o intervalo de tempo para a corrente aumentar de 10 a 90% da mudança total e o tempo de recuperação ( t _rec ) é o intervalo de tempo para a corrente diminuir de 90 a 10% da mudança total. A partir das figuras, pode-se estimar a resposta e a recuperação de 10,7 e 8,3 s, respectivamente. É importante notar que a resposta rápida e recuperação do MoS decorado com Pd ₂ / SiO ₂ O sensor / Si é um dos melhores resultados obtidos para o H ₂ sensores em RT [2,3,4,5]. Durante o processo de detecção, o MoS de poucas camadas ₂ é crucial com base nos três aspectos a seguir:(i) MoS 2D ₂ camada fornece alta relação superfície-volume e serve como uma plataforma para a conexão das nanopartículas de Pd, o que poderia prometer ao sensor características altamente sensíveis a H ₂ exposição. (ii) A estrutura em camadas fornece grande espaço de armazenamento para os elétrons injetados a partir de nanopartículas de Pd. Isso pode aumentar significativamente a sensibilidade do sensor fabricado. Em contraste, em sensores de grafeno de monocamada, a sensibilidade pode ser limitada pelo baixo espaço de armazenamento dos portadores injetados. (iii) Como mostrado na Fig. 2c, d, devido às suas características contínuas, o MoS ₂ camada oferece caminhos de alta velocidade para o transporte dos portadores injetados. Assim, podem ser alcançadas altas velocidades de resposta e recuperação.

A Figura 6a mostra a resposta dinâmica do MoS decorado com Pd ₂ / SiO ₂ / Si sensor ao variar H ₂ concentração de 0,5 a 5,0% em - 1,0 V. A inserção mostra a curva de detecção ampliada do sensor sobre o H ₂ concentração de 0,5%. O sensor exibe uma resposta significativa em cada H ₂ nível, mesmo na baixa concentração de 0,5%. Forte dependência da resposta em H ₂ os níveis podem ser vistos na figura. A Figura 6b mostra ainda a resposta e o tempo de recuperação em função de H ₂ concentração, respectivamente. Conforme mostrado na figura, ambos t _res e t _rec aumentar continuamente com a diminuição do H ₂ níveis. Quando o H ₂ a concentração diminui de 5,0 para 0,5%, t _res aumenta de 21,7 para 36,8 se t _rec aumenta de 15,5 para 35,3 s. A Figura 6c mostra a dependência da sensibilidade do sensor em H ₂ níveis. O sensor mostra uma correlação quase linear entre sua sensibilidade e o H ₂ concentração. Quando o sensor é exposto a H ₂ concentração de 5%, S tem cerca de 4,3 × 10 ³ % Com a diminuição do H ₂ nível, S diminui gradativamente, o que é causado pela redução da quantidade reduzida de moléculas de hidrogênio absorvidas pelas nanopartículas de Pd. Sob o H ₂ concentração de 0,5%, S diminui para 5,7 × 10 ² %

a Respostas dinâmicas do MoS decorado com Pd ₂ Heterojunção / Si após H ₂ consequente em concentrações variáveis de 0,5 a 5% em - 1,0 V. A inserção mostra a imagem ampliada das características de detecção da heterojunção sob H ₂ de 0,5%. b Dependência de t _res e t _rec em H ₂ concentração. c Dependência da resposta de detecção da heterojunção em H ₂ concentração

A espessura do Pd é um fator crucial para controlar a densidade das nanopartículas de Pd e ainda determinar o desempenho de detecção. A Figura 7a-d mostra as curvas de detecção de MoS decorado com Pd ₂ / SiO ₂ Sensores / Si com diferentes espessuras de Pd, d _Pd =~ 1,0, ~ 5,0, ~ 10,0 e ~ 30,0 nm. Conforme mostrado na figura, cada sensor mostra características de detecção óbvias para H ₂ . A Figura 7e, f mostra a sensibilidade e o tempo de resposta dos sensores em função da espessura do Pd. A Figura 7g-i mostra a ilustração esquemática da reação de H ₂ no MoS decorado com Pd ₂ / SiO ₂ / Heterojunção Si com diferentes espessuras de Pd. Quando a camada de Pd é muito fina, como 1,0 nm, as partículas de Pd no MoS de poucas camadas ₂ não são claras (arquivo adicional 1:Figura S1) e a densidade de cobertura das nanopartículas de Pd pode ser muito baixa, como mostrado na Fig. 7g. Sob esta condição, o sensor mostra as características de detecção para H ₂ , no entanto, a sensibilidade resultante é de apenas 120,7% e a resposta é relativamente lenta, cerca de 58,1 s. Com o aumento da espessura do Pd, a densidade de cobertura das nanopartículas de Pd aumenta nas poucas camadas de MoS ₂ superfície, conforme ilustrado na Fig. 7h. Grandes quantidades de H ₂ as moléculas podem reagir rapidamente com as nanopartículas de Pd devido ao aumento da área de contato e grandes quantidades de elétrons são liberados nas poucas camadas de MoS ₂ . Consequentemente, a sensibilidade do sensor aumenta gradativamente, conforme mostrado na Fig. 7e. Quando d _Pd =5,0 nm, o sensor exibe o máximo S valor de ~ 9,2 × 10 ³ % com uma resposta rápida de 10,7 s. Assim, as características de detecção aprimoradas podem ser atribuídas ao aumento da cobertura de nanopartículas de Pd. Quando a espessura do Pd aumenta ainda mais, no entanto, a sensibilidade do sensor diminui. Em uma camada espessa de Pd, como d _Pd =30,0 nm, a camada de Pd torna-se contínua e a quantidade de nanopartículas de Pd reduz bastante, conforme mostrado no arquivo adicional 1:Figura S1. Isso resulta na diminuição da área de contato entre a superfície do dispositivo e o ambiente H ₂ , levando à diminuição da sensibilidade. Quando d _Pd =30,0 nm, S =1,5 × 10 ³ % Da Fig. 7c, d, acúmulo de carga óbvio que tanto o I _ar e eu _H2 exibem inclinações negativas ao longo da duração total da exposição podem ser vistas nas curvas de detecção dos sensores com a camada espessa de Pd [47]. Isso não é óbvio para os sensores com camadas de Pd mais finas ( d _Pd =1,0, 3,0 e 5,0 nm). Devido ao acúmulo de carga, o tempo de resposta dos sensores aumenta quando d _Pd> 5,0 nm, como mostrado na Fig. 7f. Assim, ~ 5,0 nm é a espessura de Pd otimizada para o sensor com a maior cobertura de nanopartículas de Pd para atingir as melhores características de detecção.

Sensing characteristics of the Pd-decorated MoS₂ /Si heterojunction with different Pd thickness, respectively. a d _Pd =~ 1.0 nm, b d _Pd =~ 5.0 nm, c d _Pd =~ 10.0 nm, and d d _Pd =~30.0 nm. e , f Dependence of the sensitivity and response time of the heterojunctions on Pd thickness, respectively. g - i Schematic illustration of the reaction of H₂ on the Pd-decorated MoS₂ /Si heterojunction with different Pd thickness

Conclusões

In summary, few-layer MoS₂ films were grown on Si substrates via DC magnetron sputtering technique and Pd nanoparticles are further synthesized on the MoS₂ surface to promote the detection of H₂ . Due to the decoration of the Pd nanoparticles on the device surface, especially the unique microstructural characteristics and excellent transporting properties of the few-layer MoS₂ film, the fabricated sensor exhibits a high sensitivity of 9.2 × 10³ % in pure H₂ with a fast response of 10.7 s and recovery of 8.3 s. Additionally, the H₂ sensing properties of the sensors are dependent largely on the size of the Pd layer and ~ 5.0 nm is the optimized thickness for the Pd-decorated MoS₂ /SiO₂ /Si junction to obtain the best sensing properties. The results indicate that sputtered Pd-decorated few-layer MoS₂ combined with SiO₂ /Si semiconductors hold great promise for the scalable fabrication of high-performance H₂ sensors.

Abreviações

AFM:: Atomic force microscope
d _Pd :: Thickness of the Pd layer
E _C :: Nível da banda de condução
E _F :: Nível de energia de Fermi
E _g :: Energy band gap
E _p :: Distância entre E _V e E _F
E _V :: Nível da banda de valência
HRTEM:: Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução
MoS ₂ :: Dissulfeto de molibdênio
RMS:: Root-mean-square roughness
t _rec :: Recovery time for the sensor
t _res :: Response time for the sensor
UPS:: Espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta
V _bi :: Built-in electrical field
W :: Função no trabalho
XPS:: X-ray photoemission spectroscopy

Síntese de aquecimento de estado sólido de composto de poli (3,4-etilenodioxitiofeno) / ouro / grafeno e sua aplicação para determinação amperométrica de nitrito e iodato Oscilações do Estado de Oxidação de Cério Impulsionadas pela Difusão de Oxigênio em Nanoceria Coloidal (CeO2 - x)

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias