Высокоэффективное определение H2 для многослойных гетеропереходов MoS2 / SiO2 / Si за счет декорирования поверхности наночастиц Pd

Фон

Как чистый и богатый источник энергии водород (H ₂ ) был использован в различных типах топливных элементов. В то же время H ₂ представляет собой безвкусный, бесцветный и взрывоопасный газ, который может вызывать некоторые проблемы с безопасностью [1]. Для безопасной работы H ₂ Таким образом, датчики имеют решающее значение для обнаружения и мониторинга H ₂ утечки в реальном времени. В настоящее время датчики оксидов металлов эффективны для обнаружения H ₂ [2,3,4,5]. Однако H ₂ на основе оксида металла датчики требуют высокой рабочей температуры (~ 150 ° C), что может представлять риск для безопасности, поскольку H ₂ легко воспламеняется. В связи с этим очень желательно синтезировать новые чувствительные материалы для разработки надежного H ₂ датчики, которые могут работать при комнатной температуре (RT).

Дисульфид молибдена (MoS ₂ ), как один из типичных кандидатов в аналоги графена и член дихалькогенидов переходных металлов (TMD), недавно привлек огромное внимание благодаря своим превосходным свойствам [6,7,8,9,10]. Конструктивно каждый MoS ₂ единичный слой состоит из ковалентно связанных атомов Mo – S, а соседние слои прикрепляются друг к другу за счет сил Ван-дер-Ваальса. Эти характеристики, с одной стороны, обещают двухмерный (2D) MoS ₂ высокое соотношение поверхности к объему. С другой стороны, MoS ₂ может легко расслаиваться на монослой или несколько слоев из-за слабых сил Ван-дер-Ваальса между атомными слоями. Даже с желаемыми качествами MoS ₂ для различных приложений, изготовление высококачественного MoS ₂ большой площади ультратонкие пленки до сих пор остаются проблемой. Традиционные подходы, такие как механическое отшелушивание [11,12,13], дают локализованные слоистые хлопья, которые нельзя масштабировать для приложений большой площади. В последние годы было исследовано химическое осаждение из паровой фазы для производства MoS с большой площадью ₂ моно / многослойные пленки [14,15,16]. Однако этот метод требует высоких рабочих температур в диапазоне 800–1000 ° C, что может вызвать серьезную летучесть серы в слоях и диффузию на границе раздела. Таким образом, необходимо разработать альтернативные методы синтеза, способные выращивать MoS большой площади ₂ ультратонкие пленки. Недавно было доказано, что физическое осаждение из паровой фазы, в основном включая технику магнетронного распыления и импульсное осаждение слоев [17,18,19,20,21,22], является еще одним эффективным подходом к реализации роста MoS _{2 <в масштабе пластины. / sub> однослойные / многослойные пленки при гораздо более низкой температуре роста, около 300 ° C. Результаты показывают, что распыленный многослойный MoS 2 пленки обладают замечательными транспортными характеристиками, такими как высокая подвижность ~ 181 см ² / Vs и большой коэффициент включения / выключения тока ~ 10 ⁴ [20].}

Основываясь на большом соотношении поверхности к объему и отличных полупроводниковых транспортных свойствах, моно- / несколько слоев MoS ₂ Ожидается, что фильмы станут потенциальными кандидатами на применение в сенсорных технологиях. Исследователи провели множество исследований сенсорных свойств MoS ₂ ультратонкие пленки для многих видов химических газов, таких как NH ₃ , НЕТ, НЕТ ₂ и т. д. [23,24,25,26,27,28,29,30]. Эти молекулы газа принадлежат к полярным структурам, и между поверхностью MoS ₂ можно легко обмениваться зарядами. и вышеуказанные молекулы. Таким образом, MoS ₂ Устройства на основе полюсов демонстрируют высокую чувствительность к полюсным молекулам, такую ​​как высокую чувствительность, сверхнизкий предел обнаружения и высокую скорость отклика. Однако это очень сложно для H ₂ будет обнаружен MoS ₂ из-за своей неполярной природы. Украшение MoS ₂ нанолисты с наночастицами металлического палладия (Pd) могут увеличить чувствительность сенсора и, особенно, покрытый палладием MoS ₂ композиты показали очевидную реакцию на H ₂ за счет каталитического действия Pd [31, 32]. Однако H ₂ чувствительность отмеченного Pd-декорированного MoS ₂ датчиков низкий. В наших предыдущих исследованиях [33, 34] мы предложили H ₂ типа гетероперехода. сенсорные устройства путем объединения MoS ₂ фильмы с Si. Как хорошо известно, Si доминирует на рынке коммерческих электронных устройств из-за его большого количества и развитой технологии обработки. Он предоставляет простой способ разработки практически применимых устройств за счет интеграции MoS ₂ на Si [35,36,37,38]. Наши результаты показывают, что MoS ₂ / SiO ₂ / Si гетеропереходы как H ₂ сенсоры обладают высокой чувствительностью, около 10 ⁴ %. Однако время отклика и восстановления очень велико, ~ 443,5 с. Низкая скорость отклика в основном вызвана трудностями диффузии H в толстых пленках. На основе приведенного выше анализа высокочувствительная производительность будет реализована за счет интеграции двухмерного многослойного MoS ₂ пленки на кремниевые пластины. Насколько нам известно, ранее подобные результаты не представлялись.

В этой работе мы сообщаем о росте использования многослойного MoS в масштабе пластины ₂ ультратонкие пленки на SiO ₂ / Si с использованием техники напыления постоянным током и декорирования поверхности MoS ₂ осуществляются путем синтеза наночастиц Pd. Кроме того, MoS ₂ , украшенный Pd / SiO ₂ Гетеропереходы / Si демонстрируют очевидный электрический отклик на H ₂ и производительность может характеризоваться высокой чувствительностью, быстрым откликом и восстановлением. Влияние толщины слоя Pd на H ₂ производительность зондирования изучается далее. Механизм восприятия поясняется построением выравнивания энергетических зон на границе раздела изготовленного гетероперехода.

Методы

Малоуровневый MoS ₂ Пленки выращивались на подложках Si с ориентацией (100) методом магнетронного распыления на постоянном токе. Самодельный поликристалл MoS ₂ В данной работе использовалась мишень, чистота которой составляла около 99%. Подложки Si, использованные в данной работе, представляли собой полупроводники n-типа, а их удельное сопротивление составляет около 1–6 Ом · см. Перед осаждением пластины разрезали на кусочки размером 12,5 × 12,5 мм и последовательно подвергали ультразвуковой очистке спиртом, ацетоном и деионизированной водой. Затем подложки погружались в раствор HF (~ 5%) на 60.0 с для удаления естественного оксидного слоя с поверхности Si. После этого проводили окислительную обработку подложек в растворе пероксида (~ 40,0%) при 100 ° C в течение 20,0 мин с образованием SiO ₂ пассивирующий слой на поверхности Si. SiO ₂ слой играет две роли в гетеропереходе. SiO ₂ слой может обеспечить гладкую поверхность подложки для двумерного послойного роста MoS ₂ слои. Одновременно SiO ₂ слой может улучшить интерфейс MoS ₂ / Si за счет уменьшения диффузии между MoS ₂ и Si. Впоследствии MoS ₂ пленки выращивались на SiO ₂ подложки Si с буфером при температуре 450 ° C соответственно. Во время напыления давление газообразного аргона и рабочая мощность поддерживались на уровне 1,0 Па и 10,0 Вт соответственно. После роста MoS ₂ пленки, слои наночастиц Pd с различной толщиной (1,0, 3,0, 5,0, 10,0, 15,0 и 30,0 нм) были напылены на месте и декорированы на MoS ₂ поверхность соответственно. Температура осаждения, рабочее давление и мощность составляли RT (~ 300 K), 3,0 Па и 10,0 Вт соответственно. Наконец, на поверхность Pd-декорированного MoS ₂ были прижаты электроды из индия (In) толщиной около 300 мкм и диаметром 0,5 мм в качестве электродов. пленки и задняя сторона Si в качестве электродов соответственно.

MoS ₂ Пленки были охарактеризованы с помощью рамановской спектроскопии (HORIBA, HR800) с длиной волны возбуждения 488 нм. Поверхность образца характеризовали с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Спектры рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии (XPS) получали на спектрометре Kratos Axis ULTRA с использованием монохроматического рентгеновского источника Al Kα (1486,6 эВ). Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRTEM) была выполнена на JEOL JEM-2100F. Спектры пропускания измеряли на спектрофотометре Shimadzu UV-3150. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (UPS) проводилась с использованием нефильтрованной газоразрядной лампы He-I (21,22 эВ).

Путем воздействия на датчики различной концентрации H ₂ в сухом воздухе при комнатной температуре чувствительные свойства измерялись в камере, где смонтировано сенсорное устройство, и ток регистрировался измерителем источника Keithley 2400. Для извлечения датчиков камеру открыли и в нее залили воздух.

Результаты и обсуждение

Химическая идентификация Pd-декорированного MoS ₂ Пленка проводится с помощью XPS, как показано на рис. 1. Спектр обзора XPS образца показан на рис. 1a. Спектр состоит из пиков Mo, S, Pd и O, что свидетельствует об успешном синтезе MoS ₂ с небольшим количеством остаточного углерода на SiO ₂ / Si подложка. Кроме того, пик C может быть вызван остаточным газом во время осаждения. Как показано на рис. 1b, пики при 163,9 и 162,8 эВ соответствуют S 2p _1/2 и 2р _3/2 , соответственно. Спектр сердцевинных уровней Mo 3d показан на рис. 1в. Мо 3d _3/2 и 3d _5/2 пики MoS ₂ расположены при 233,1 и 229,9 эВ соответственно. Кроме того, появляется пик S 2s при 227,1 эВ. Эти результаты почти согласуются с другими результатами [39, 40], предполагая, что распыленный MoS ₂ слои имеют хорошую химическую стехиометрию. Как показано на рис. 1d, два пика при 340,9 и 335,5 эВ относятся к Pd 3d _3/2 и 3d _5/2 , соответственно. Энергии связи аналогичны энергиям связи для металлов Pd [41], демонстрируя, что многослойный MoS ₂ покрывается металлическим слоем Pd, и очевидного замещения атомов Mo при легировании Pd не происходит.

а Исследование XPS, b S 2p, c Mo 3d и d Спектры Pd 3d-уровня ядра 5-нм Pd-декорированного MoS ₂ слои на подложке Si

На рис. 2а показаны АСМ-изображения многослойного MoS ₂ . . MoS ₂ Слой имеет гладкую поверхность и не наблюдается явных выростов, что свидетельствует о двумерном росте MoS ₂ фильм. Согласно нашим результатам, среднеквадратичная шероховатость (RMS) составляет около 0,78 нм. После нанесения 5-нм декоративного слоя Pd количество наночастиц на поверхности можно четко увидеть, как показано на рис. 2b. Это означает островковидный рост слоя Pd в 3D-моде. Средний диаметр наночастиц Pd составляет около 47,7 нм, а шероховатость поверхности немного увеличилась до 0,89 нм из-за осаждения наночастиц Pd. Кроме того, размер наночастиц Pd явно зависит от толщины осаждения Pd (дополнительный файл 1:Рисунок S1). На рис. 2с показано поперечное сечение ПЭМВР-изображения Pd-декорированного MoS ₂ . слоев на подложке Si. Слой Pd и MoS ₂ пленку хорошо видно из рисунка. Из рисунка виден очевидный зазор ~ 7.2 нм в слое Pd, обозначенный на рисунке красной стрелкой. Это говорит о том, что слой Pd толщиной 5 нм является прерывистым и на MoS ₂ образуются большие количества наночастиц Pd. поверхность. Распыленный MoS ₂ Пленка демонстрирует четкую слоистую структуру с 2–3 атомными слоями S – Mo – S, а расстояние между отдельными слоями составляет около 0,65 нм, как показано на увеличенном изображении ПЭМ ВР на рис. 2d. Чтобы дополнительно проиллюстрировать однородность, спектры комбинационного рассеяния света нескольких слоев MoS ₂ взяты из четырех различных областей выборки соответственно. Независимо от местоположения, два типичных рамановских активных режима MoS ₂ Как видно из рис. 2e, E ¹ _{2 г} мода на ∼ 381,9 см ⁻¹ и A _1g мода на ∼ 405,1 см ⁻¹ . E ¹ _{2 г} мода соответствует атомам серы и молибдена, колеблющимся в противофазе параллельно плоскости кристалла, и A _1g Режим соответствует атомам серы, колеблющимся в противофазе вне плоскости, как показано на вставках справа. Разница рамановских сдвигов между A _1g и E ¹ _{2 г} , ~ 23,2 см ⁻¹ отражает количество MoS ₂ слои. Это значение больше, чем у монослоя MoS ₂ [42,43,44], хотя и меньше, чем основная масса [45,46,47], что указывает на синтез многослойного MoS ₂ .

АСМ изображения MoS ₂ слои а без украшения Pd и b с 5-нм декором из Pd. c ВРЭМ изображение MoS, украшенного палладием ₂ слоев на подложке Si. Красной стрелкой обозначен зазор между двумя наночастицами Pd. г Увеличенное изображение ВРЭМ. е Типичные рамановские спектры выращенного MoS ₂ слои на Si из разных областей образца

Чтобы продемонстрировать транспортировочные характеристики Pd-декорированного MoS ₂ пленки, зависимость удельного сопротивления ( ρ ) от температуры ( T ) различных образцов, выращенных на 300 нм SiO ₂ / Si были исследованы, как показано на рис. 3. На рис. 3а показана величина ρ - Т кривая для многослойного MoS ₂ а на вставке схематически показаны измерения с использованием техники Ван дер Пау. Удельное сопротивление MoS ₂ уменьшается с увеличением температуры измерения, что соответствует его полупроводниковой природе. На рисунке 3b показан ρ - Т кривая 5-нм слоя Pd, а на вставке показано ρ - Т кривая слоя Pd толщиной 10 нм. Из-за неоднородности удельное сопротивление слоя Pd толщиной 5 нм уменьшается с увеличением температуры, что свидетельствует о полупроводниковых характеристиках. Когда слой Pd увеличивается до 10 нм, удельное сопротивление увеличивается с увеличением температуры, как показано на вставке. Это согласуется с характеристиками металла, подразумевая, что слой Pd становится сплошным, когда Pd увеличивается от 5 до 10 нм. Когда многослойный MoS ₂ украшен 5-нм Pd, его ρ - Т кривая показана на рис. 3в. MoS, украшенный Pd ₂ Пленка демонстрирует полупроводниковые характеристики, и ее удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры. Кроме того, удельное сопротивление для Pd-декорированного MoS ₂ Пленка составляет около 1,1 Ом · см. Это значение намного меньше, чем для одиночного MoS ₂ слой Pd толщиной 5 нм - 29,6 и 9,5 Ом · см соответственно. Сильное снижение удельного сопротивления Pd-декорированного MoS ₂ пленка должна быть вызвана эффективным соединением между слоем Pd и многослойным MoS ₂ на интерфейсе. На рисунке 3d также показана зависимость удельного сопротивления Pd-декорированного MoS ₂ пленка на толщину слоя Pd ( d _Pd ). Удельное сопротивление Pd-декорированного MoS ₂ пленки уменьшается с увеличением толщины Pd, и резкое уменьшение удельного сопротивления наблюдается, когда d _Pd > 5 нм. Это означает, что прерывистые наночастицы Pd достигают максимального покрытия на поверхности многослойного MoS ₂ когда d _Pd составляет около 5 нм.

Кривая зависимости сопротивления от температуры различных образцов, выращенных на 300 нм SiO ₂ / Si подложка. а Малоуровневый MoS ₂ . На вставке схематически показаны измерения. б Слой Pd толщиной 5 нм. На вставке показано ρ - Т кривая для слоя Pd толщиной 10 нм. c 5-нм Pd-декорированный MoS ₂ слои. г Удельное сопротивление Pd-декорированного MoS ₂ слои как функция толщины Pd

На рис. 4а показана ВАХ Pd-декорированного Pd MoS ₂ . / SiO ₂ / Si-переход при комнатной температуре и d _Pd =5,0 нм. На вставке схематически показаны измерения. Как видно из рисунка, соединение демонстрирует очевидное исправляющее действие. На рисунке 4b показан спектр ИБП для многослойного MoS ₂ . фильм. Работа выхода ( W ) пленки рассчитывается по разнице между отсечкой максимальной энергии связи и энергией фотонов возбуждающего излучения [48], ~ 5,53 эВ. Расстояние ( E _p ) между валентной зоной ( E _V ) и уровня Ферми ( E _F ) МОС ₂ пленка извлекается из начальной энергии, как показано на вставке, ~ 0,48 эВ. Из спектра пропускания MoS ₂ фильм (Дополнительный файл 1:Рисунок S2), ( αhν ) ² график как функция энергии фотона hν на фиг. 4c, где h , ν , и α представляют собой постоянную Планка, частоту фотонов и коэффициент поглощения соответственно [49]. Ширина запрещенной зоны ( E _г ) фильма определяется пересечением линии на hν ось, E _г =1,48 эВ. Соответственно, p -тип поведения для только что выросшего MoS ₂ фильм можно доказать. Измерения Холла также показывают, что концентрация носителей дырочного типа и подвижность составляют около 4,38 × 10 ¹⁵ / см ³ и 11,3 см ² / Vs соответственно. p -типные характеристики могут быть вызваны адсорбцией других молекул газа [39]. Основываясь на приведенных выше результатах, изолированные диаграммы зон энергий для многослойного MoS ₂ фильм и n -Si построены, как показано на рис. 4d. На рисунке W =4,21 эВ, E _г =1,12 эВ и E _p =0,92 эВ для n -Si [50]. Кроме того, SiO ₂ слой в качестве поверхностного пассивирующего слоя подложки Si включен в границу раздела на диаграмме энергетических зон. Когда MoS, украшенный Pd ₂ пленка осаждается на подложку Si, электроны текут с подложки в пленку на границе раздела из-за более высокого E _F Si. Текущий процесс останавливается, когда уровни Ферми сравняются и MoS, украшенный Pd ₂ / Si п-п соединение изготовлено, как показано на рис. 4г. В результате встроенное электрическое поле ( V _би ) формируется около границы раздела, и его направление указывает от подложки к MoS ₂ . Таким образом, асимметричные характеристики и очевидные характеристики выпрямления можно наблюдать по ВАХ на рис. 4а. В полупроводниковом гетеропереходе [51] обратный ток можно описать как

а ВАХ Pd-декорированного MoS ₂ / Si гетеропереход. На вставке схематически показаны измерения. б Спектры ИБП MoS ₂ слоев на подложке Si. c Кривая ( αhν ) ² vs hν МОС ₂ слои. Диаграмма энергетических зон в MoS ₂ / Si интерфейс перед контактом ( d ) и после контакта ( e )

где I _- , q , k ₀ , и T представляют собой обратный ток, заряд электрона, постоянную Больцмана и температуру. Таким образом, токи Pd-декорированного MoS ₂ / Si п-п соединение можно изменить, настроив встроенное поле V _би .

На рисунке 5a показан график полулогарифма измеренных ВАХ для многослойного MoS ₂ , украшенного Pd (5,0 нм). / SiO ₂ / Si п-п соединение в воздухе и чистом H ₂ при РТ соответственно. Из рисунка очевидно H ₂ чувствительные характеристики можно увидеть в диапазоне обратного напряжения. Чувствительность ( S ) устройства определяется как

а Кривые LgI ~ V из Pd-декорированного MoS ₂ / Si гетеропереход. б Я vs t графики MoS, украшенного Pd ₂ Гетеропереход / Si подвергается воздействию чистого H ₂ при - 1,0 В и рт. c , d Увеличенные границы отклика и восстановления кривой считывания соответственно. Время отклика ( t _res ) - временной интервал увеличения отклика от 10 до 90% от общего изменения тока. Время восстановления ( t _rec ) - временной интервал для реакции на спад от 90 до 10% от общего изменения тока

где I _H2 и я _воздух представляют ток под H ₂ и кондиционер соответственно. При - 1,0 В, S рассчитывается, ~ 9,2 × 10 ³ %. Это значение намного больше, чем результат (всего 35,3%) одиночного многослойного MoS, украшенного Pd ₂ датчик [32]. Для сравнения чувствительность многослойного MoS ₂ / SiO ₂ / Si гетеропереход без украшения Pd и 5 нм Pd / SiO ₂ / Si гетеропереход без многослойного MoS ₂ в наших экспериментах - всего 15 и 133% (Дополнительный файл 1:Рисунок S3) соответственно. Таким образом, H ₂ характеристики чувствительности могут быть значительно улучшены за счет эффективного соединения между наночастицами Pd и многослойным MoS ₂ . Когда MoS, украшенный Pd ₂ выставляется на H ₂ , наночастицы Pd в качестве чувствительного слоя реагируют с молекулами водорода и гидридом палладия (PdH _x ) [52]. Следовательно, большое количество электронов высвобождается из слоя Pd и инжектируется в MoS ₂ пленка, в результате чего дырочные носители компенсируются и концентрация дырок уменьшается. Это может вызвать сдвиг уровня Ферми MoS ₂ пленка к зоне проводимости соответственно, а высота барьера, вызванная V _би в MoS ₂ / Si уменьшается. Согласно формуле. 2, токи перехода увеличиваются после воздействия на устройство H ₂ . Когда гетеропереход смещен положительно, характеристики чувствительности намного хуже, чем в диапазоне отрицательного смещения, как показано на рисунке. В диапазоне положительного напряжения большое количество электронов инжектируется в MoS ₂ слои из подложки Si. При этом условии электроны из PdH _x мало влияют на концентрацию электронов MoS ₂ слой. Таким образом, гетеропереход демонстрирует неочевидные чувствительные характеристики в положительном диапазоне. На рисунке 5b показано воспроизводимое изменение тока MoS ₂ , украшенного Pd. / SiO ₂ / Датчик Si в H ₂ условия при - 1,0 В и рт. Когда условия меняются поочередно между воздухом и H ₂ показаны два различных текущих состояния для датчика:«высокое» текущее состояние в воздухе и «низкое» текущее состояние в H ₂ , соответственно. Как показано на рисунке, как «высокое», так и «низкое» состояния стабильны и хорошо обратимы. Скорости отклика и восстановления оцениваются по фронтам подъема и спада соответственно кривой считывания, как показано на рис. 5c, d. Время отклика ( t _res ) определяется как временной интервал повышения тока с 10 до 90% от общего изменения и время восстановления ( t _rec ) - временной интервал, за который ток спадет с 90 до 10% от общего изменения. По рисункам можно оценить время отклика и восстановления в 10,7 и 8,3 с соответственно. Стоит отметить, что быстрый отклик и восстановление Pd-декорированного MoS ₂ / SiO ₂ Датчик / Si - один из лучших результатов, достигнутых для H ₂ датчики при КТ [2,3,4,5]. В процессе зондирования многослойный MoS ₂ имеет решающее значение, исходя из следующих трех аспектов:(i) 2D MoS ₂ слой обеспечивает высокое отношение поверхности к объему и служит платформой для соединения наночастиц Pd, что может обещать сенсору высокочувствительные характеристики к H ₂ воздействие. (ii) Слоистая структура обеспечивает большое пространство для хранения электронов, инжектированных из наночастиц Pd. Это может значительно повысить чувствительность изготовленного датчика. Напротив, в сенсорах с однослойным графеном чувствительность может быть ограничена малым объемом памяти инжектированных носителей. (iii) Как показано на рис. 2c, d, благодаря своим непрерывным характеристикам MoS ₂ Layer предлагает высокоскоростные пути для транспортировки введенных носителей. Таким образом достигается высокая скорость отклика и восстановления.

На рисунке 6а показан динамический отклик MoS ₂ , украшенного Pd. / SiO ₂ / Si датчик при изменении H ₂ концентрация от 0,5 до 5,0% при - 1,0 В. На вставке показана увеличенная кривая чувствительности датчика при H ₂ концентрация 0,5%. Датчик показывает значительный отклик на каждом H ₂ уровень даже при низкой концентрации 0,5%. Сильная зависимость ответа от H ₂ уровни видно из рисунка. На рисунке 6b также показаны зависимость времени отклика и восстановления от H ₂ . концентрации соответственно. Как показано на рисунке, оба t _res и t _rec непрерывно увеличиваются с уменьшением H ₂ уровни. Когда H ₂ концентрация снижается с 5,0 до 0,5%, t _res увеличивается с 21,7 до 36,8 с и t _rec увеличивается с 15,5 до 35,3 с. На рис. 6в показана зависимость чувствительности датчика от H ₂ . уровни. Датчик показывает почти линейную корреляцию между его чувствительностью и H ₂ концентрация. Когда датчик подвергается воздействию H ₂ концентрация 5%, S примерно 4,3 × 10 ³ %. При уменьшении H ₂ уровень, S постепенно уменьшается, что вызвано уменьшением уменьшенного количества молекул водорода, поглощаемых наночастицами Pd. Под H ₂ концентрация 0,5%, S уменьшается до 5,7 × 10 ² %.

а Динамические отклики MoS, украшенного Pd ₂ / Si гетеропереход при последующем H ₂ при различных концентрациях от 0,5 до 5% при - 1,0 В. На вставке показано увеличенное изображение чувствительных характеристик гетероперехода при H ₂ 0,5%. б Зависимость t _res и t _rec на H ₂ концентрация. c Зависимость чувствительности гетероперехода от H ₂ концентрация

Толщина Pd является решающим фактором для контроля плотности наночастиц Pd и дальнейшего определения чувствительности. На рис. 7a – d показаны кривые чувствительности MoS ₂ , декорированного Pd. / SiO ₂ / Si датчики с разной толщиной Pd, d _Pd =~ 1.0, ~ 5.0, ~ 10.0 и ~ 30.0 нм. Как показано на рисунке, каждый датчик демонстрирует очевидные чувствительные характеристики до H ₂ . . На рис. 7д, е показаны зависимости чувствительности и времени отклика датчиков от толщины палладия. На рис. 7g – i схематически показана реакция H ₂ . на Pd-декорированном MoS ₂ / SiO ₂ Гетеропереход / Si с различной толщиной Pd. Когда слой Pd очень тонкий, например 1,0 нм, частицы Pd на нескольких слоях MoS ₂ неясны (дополнительный файл 1:рис. S1), а плотность покрытия наночастиц Pd может быть очень низкой, как показано на рис. 7g. В этом состоянии датчик показывает чувствительные характеристики до H ₂ однако полученная чувствительность составляет всего 120,7%, а отклик относительно медленный, около 58,1 с. С увеличением толщины Pd увеличивается плотность покрытия наночастиц Pd на многослойном MoS ₂ . поверхность, как показано на рис. 7h. Большое количество H ₂ молекулы могут быстро реагировать с наночастицами Pd из-за увеличенной площади контакта, и большое количество электронов выделяется в несколько слоев MoS ₂ . Следовательно, чувствительность датчика постепенно увеличивается, как показано на рис. 7e. Когда d _Pd =5,0 нм, датчик показывает максимальное значение S значение ~ 9,2 × 10 ³ % с быстрым откликом 10,7 с. Таким образом, улучшенные чувствительные характеристики можно отнести к увеличению покрытия наночастиц Pd. Однако при дальнейшем увеличении толщины Pd чувствительность датчика снижается. В толстом слое Pd, таком как d _Pd =30,0 нм, слой Pd становится сплошным, а количество наночастиц Pd значительно уменьшается, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S1. Это приводит к уменьшению площади контакта между поверхностью устройства и окружающей средой H ₂ , что приводит к снижению чувствительности. Когда d _Pd =30,0 нм, S =1,5 × 10 ³ %. Из рис. 7c, d видно, что оба элемента I _воздух и я _H2 имеют отрицательные наклоны на протяжении всей экспозиции, что можно увидеть на кривых зондирования для сенсоров с толстым слоем Pd [47]. Это не очевидно для датчиков с более тонкими слоями Pd ( d _Pd =1.0, 3.0 и 5.0 нм). Due to the charge accumulation, the response time of the sensors increases when d _Pd  > 5.0 nm, as shown in Fig. 7f. Thus, ~ 5.0 nm is the optimized Pd thickness for the sensor with the highest coverage of Pd nanoparticles to achieve the best sensing characteristics.

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

Выводы

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 × 10 ³ % 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 / SiO ₂ /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.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

d _Pd :

Thickness of the Pd layer

E _C :

Conduction band level

E _F :

Fermi energy level

E _г :

Energy band gap

E _p :

Distance between E _V и E _F

E _V :

Valence band level

HRTEM:

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

MoS₂ :

Molybdenum disulfide

RMS:

Root-mean-square roughness

t _rec :

Recovery time for the sensor

t _res :

Response time for the sensor

UPS:

Ultraviolet photoelectron spectroscopy

V _bi :

Built-in electrical field

W :

Work function

XPS:

X-ray photoemission spectroscopy