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  二维材料由于其超高的表体比、优异的机械性、柔性透明等特性而在湿度传感器领域显示了巨大的应用前景。以二硫化钼为代表的过渡金属硫属化物由于其优异的电流开关比、迁移率等特性为其在电子学器件中的应用提供了可能。现阶段对二硫化钼湿度传感器的研究主要受制于加工过程本身引入的残胶对材料表面的污染,影响了其对水分子的吸附,从而导致灵敏度不高或响应时间过长等问题。因而,如何得到具有高灵敏、快速响应时间的二硫化钼湿度传感器成为制约其应用的最主要因素。

  针对上述问题,日前,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)纳米物理与器件实验室利用一种新的金剥离方法,加工得到具有干净表面的二硫化钼场效应晶体管,从而实现了对水分子的灵敏响应。该项工作由实验室博士赵静在研究员张广宇的指导下完成。

  据悉,这种加工方法主要是利用二硫化钼与金之间的作用力远大于金与衬底间的作用力,从而可以将多余的二硫化钼样品从衬底上完整地剥离下来,同时保证了用于器件的二硫化钼表面的干净。利用这种方法一方面有效避免了加工过程中经过反应离子刻蚀后表面残胶对器件性能的影响,另一方面大大简化了加工过程,得到了具有超洁净表面的二硫化钼场效应晶体管,其光学、电学性能的显着提高也从另一个方面证明了这种加工方法得到的样品具有更好的性能。

  由于利用这种金剥离方法得到的二硫化钼场效应晶体管具有超洁净的表面,因此能够灵敏感知外界湿度变化,大大提高了二硫化钼湿度传感器的灵敏度。除了具有超高灵敏度外,由于二硫化钼表面没有悬挂键,对水分子的吸附是纯粹的物理吸附,因此器件可以很容易地进行脱吸附,有效缩短了响应时间和恢复时间。除此之外,得益于CVD生长的二硫化钼成膜均匀,可以加工得到一系列具有优异性能的二硫化钼湿度传感器阵列,从而对外界不同湿度的空间分布起到定位作用,用来实时监测外界湿度分布的变化。

  这种基于超洁净表面的二硫化钼样品加工得到的湿度传感器具有灵敏度高、响应时间和恢复时间短、使用寿命长、空间分辨率高等特性,可以广泛应用于未来无接触定位系统及二维材料多功能柔性传感器阵列领域。

  这项研究利用金剥离方法得到的表面干净的二硫化钼场效应晶体管能够灵敏地响应外界湿度的变化。由于不同湿度下水分子量的不同对二硫化钼器件起到不同的掺杂效果,从而得到了具有高灵敏度的二硫化钼湿度传感器。且由于二硫化钼对水分子的物理吸附过程使得这种湿度传感器能够很容易脱吸附,从而有效减小了相应时间和恢复时间。利用这种具有超高灵敏度的二硫化钼湿度传感器加工得到的器件阵列可以实时反映外界湿度变化的空间分布,为其在将来在无接触定位系统等方面的应用提供了可能。

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