Rendimiento de detección de H2 altamente mejorado de heterouniones de MoS2 / SiO2 / Si de pocas capas mediante la decoración de superficies de nanopartículas de Pd

Resumen

Un nuevo MoS ₂ de pocas capas / SiO ₂ La heterounión de / Si se fabrica mediante la técnica de pulverización catódica con magnetrón de CC, y las nanopartículas de Pd se sintetizan aún más en la superficie del dispositivo. Los resultados demuestran que el sensor fabricado exhibe respuestas altamente mejoradas a H ₂ a temperatura ambiente debido a la decoración de nanopartículas de Pd. Por ejemplo, el MoS ₂ decorado con Pd / SiO ₂ La heterounión / Si muestra una excelente respuesta de 9,2 × 10 ³ % a H ₂ , que es mucho más alto que los valores de Pd / SiO ₂ / Si y MoS ₂ / SiO ₂ / Si heterouniones. Además, el H ₂ Las propiedades de detección de la heterounión fabricada dependen en gran medida del grosor de la capa de nanopartículas de Pd y existe un grosor de Pd optimizado para que el dispositivo logre las mejores características de detección. Basado en la caracterización de la microestructura y las mediciones eléctricas, los mecanismos de detección del MoS ₂ decorado con Pd / SiO ₂ / Si se proponen heterouniones. Estos resultados indican que la decoración Pd de MoS ₂ de pocas capas / SiO ₂ / Si heterojunctions presenta una estrategia eficaz para la fabricación escalable de H ₂ de alto rendimiento sensores.

Antecedentes

Como fuente de energía limpia y abundante, el hidrógeno (H ₂ ) se ha utilizado en varios tipos de pilas de combustible. Al mismo tiempo, H ₂ es un gas insípido, incoloro y explosivo, que puede causar algunos problemas de seguridad [1]. Para una operación segura, H ₂ Por lo tanto, los sensores son cruciales para detectar y monitorear H ₂ Fugas en tiempo real. Actualmente, los sensores de óxido metálico son eficaces para la detección de H ₂ [2,3,4,5]. Sin embargo, el H ₂ a base de óxido metálico Los sensores requieren una temperatura de funcionamiento alta (~ 150 ° C), lo que puede suponer un riesgo para la seguridad en sí, ya que H ₂ es altamente inflamable. En este sentido, es muy deseable sintetizar nuevos materiales sensibles para desarrollar H ₂ confiable sensores que pueden operar a temperatura ambiente (RT).

Disulfuro de molibdeno (MoS ₂ ), como un candidato típico de los análogos del grafeno y miembro de los dicalcogenuros de metales de transición (TMD), ha atraído recientemente una gran atención debido a sus excelentes propiedades [6,7,8,9,10]. Estructuralmente, cada MoS ₂ La capa unitaria está formada por átomos de Mo-S unidos covalentemente y las capas vecinas se unen entre sí mediante fuerzas de van der Waals. Estas características, por un lado, prometen MoS ₂ bidimensional (2D) una alta relación superficie-volumen. Por otro lado, MoS ₂ se puede exfoliar en una sola capa o en pocas capas fácilmente debido a las débiles fuerzas de van der Waals entre las capas atómicas. Incluso con las cualidades deseables de MoS ₂ para una variedad de aplicaciones, la fabricación de MoS ₂ de alta calidad y áreas grandes Las películas ultrafinas siguen siendo un desafío hasta la fecha. Los enfoques convencionales, como la exfoliación mecánica [11,12,13], producen escamas en capas localizadas que no son escalables para aplicaciones de dispositivos de gran superficie. En los últimos años, se ha explorado la deposición de vapor químico para producir MoS ₂ de grandes áreas películas de una o pocas capas [14, 15, 16]. Sin embargo, esta técnica requiere altas temperaturas de proceso en el rango de 800–1000 ° C que podrían causar una volatilidad grave del azufre en las capas y la difusión en la interfaz. Por lo tanto, es necesario desarrollar métodos de síntesis alternativos capaces de cultivar MoS ₂ de gran superficie películas ultrafinas. Recientemente, la deposición física de vapor, que incluye principalmente la técnica de pulverización catódica con magnetrón y la deposición de capas pulsadas [17,18,19,20,21,22], ha demostrado ser otro enfoque eficaz para realizar el crecimiento de MoS _{2 películas de una o pocas capas a una temperatura de crecimiento mucho más baja de alrededor de 300 ° C. Los resultados demuestran que el MoS ₂ de pocas capas pulverizado Las películas exhiben características de transporte notables, como una alta movilidad de ~ 181 cm ²
/ Vs y una gran relación de encendido / apagado de ~ 10 ⁴
[20].}

Basado en la gran relación superficie-volumen y excelentes propiedades de transporte de semiconductores, MoS ₂ mono / pocas capas Se espera que las películas sean candidatos potenciales para aplicaciones de detección. Los investigadores han realizado numerosos estudios sobre las propiedades de detección de MoS ₂ películas ultrafinas a muchos tipos de gases químicos, como NH ₃ , NO, NO ₂ , etc. [23,24,25,26,27,28,29,30]. Estas moléculas de gas pertenecen a estructuras polares y las cargas se pueden intercambiar fácilmente entre la superficie de MoS ₂ y las moléculas anteriores. Por lo tanto, MoS ₂ Los dispositivos basados en dispositivos exhiben un alto rendimiento de detección de las moléculas polares, como alta sensibilidad, límite de detección ultrabajo y respuesta de alta velocidad. Sin embargo, es muy difícil para H ₂ para ser detectado por MoS ₂ debido a su naturaleza no polar. Decoración de MoS ₂ nanohojas con nanopartículas de metal paladio (Pd) pueden aumentar la respuesta del sensor y, especialmente, el MoS ₂ decorado con Pd los compuestos han mostrado una respuesta obvia a H ₂ debido al efecto catalítico del Pd [31, 32]. Sin embargo, el H ₂ sensibilidad del MoS ₂ decorado con Pd informado sensores es bajo. En nuestros estudios anteriores [33, 34], propusimos el tipo de heterounión H ₂ dispositivos sensores combinando MoS ₂ películas con Si. Como es bien sabido, el Si domina el mercado de dispositivos electrónicos comerciales debido a su alta abundancia y tecnología de procesamiento madura. Proporciona una ruta simple para desarrollar dispositivos prácticamente aplicables a través de la integración de MoS ₂ sobre Si [35,36,37,38]. Nuestros resultados demuestran que el MoS ₂ / SiO ₂ / Si heterouniones como H ₂ Los sensores presentan una alta sensibilidad, aproximadamente 10 ⁴ %. Sin embargo, el tiempo de respuesta y recuperación es muy largo, ~ 443,5 s. La baja velocidad de respuesta se debe principalmente a las dificultades de la difusión del H en las películas gruesas. Según el análisis anterior, el rendimiento de alta sensibilidad se lograría mediante la integración de MoS ₂ 2D de pocas capas películas sobre obleas de Si. Hasta donde sabemos, no se han presentado resultados relacionados anteriormente.

En este trabajo, informamos el crecimiento de MoS ₂ de pocas capas a escala de obleas películas ultrafinas sobre SiO ₂ / Si utilizando la técnica de pulverización catódica de CC y la decoración de la superficie del MoS ₂ se realizan mediante la síntesis de nanopartículas de Pd. Además, el MoS ₂ decorado con Pd / SiO ₂ Las heterouniones / Si muestran una respuesta eléctrica obvia hacia H ₂ y el rendimiento se puede caracterizar por una alta sensibilidad, respuesta rápida y recuperación. El efecto del grosor de la capa de Pd en H ₂ Se estudia más a fondo el rendimiento de la detección. El mecanismo de detección se aclara mediante la construcción de la alineación de la banda de energía en la interfaz de la heterounión fabricada.

Métodos

MoS ₂ de pocas capas las películas se cultivaron sobre sustratos de Si orientados (100) mediante la técnica de pulverización catódica con magnetrón de CC. El policristal casero MoS ₂ target se utilizó en este trabajo, y su pureza fue de aproximadamente el 99%. Los sustratos de Si utilizados en este trabajo eran semiconductores de tipo n, y la resistividad es de aproximadamente 1 a 6 Ω cm. Antes de la deposición, las obleas se cortaron en rodajas de 12,5 mm x 12,5 mm y se limpiaron ultrasónicamente en secuencia con alcohol, acetona y agua desionizada. Luego, los sustratos se sumergieron en una solución de HF (~ 5%) durante 60.0 s para eliminar la capa de óxido natural de la superficie de Si. Después de eso, el tratamiento de oxidación de los sustratos se realizó en solución de peróxido (~ 40.0%) a 100 ° C durante 20.0 min para formar un SiO ₂ capa de pasivación en la superficie de Si. El SiO ₂ La capa tenía dos roles en la heterounión. El SiO ₂ La capa podría proporcionar una superficie de sustrato suave para el crecimiento en modo de capa 2D del MoS ₂ capas. Simultáneamente, el SiO ₂ La capa podría mejorar la interfaz de MoS ₂ / Si al disminuir la difusión entre MoS ₂ y Si. Posteriormente, el MoS ₂ las películas se cultivaron en SiO ₂ -sustratos de Si tamponados a una temperatura de 450 ° C, respectivamente. Durante la deposición, la presión del gas argón y la potencia de trabajo se mantuvieron en 1,0 Pa y 10,0 W, respectivamente. Después del crecimiento de MoS ₂ películas, las capas de nanopartículas de Pd con diferentes espesores (1.0, 3.0, 5.0, 10.0, 15.0 y 30.0 nm) se pulverizaron in situ y se decoraron en el MoS ₂ superficie, respectivamente. La temperatura de deposición, la presión de trabajo y la potencia fueron RT (~ 300 K), 3,0 Pa y 10,0 W, respectivamente. Finalmente, se presionaron almohadillas de indio (In) de aproximadamente 300 μm de espesor con un diámetro de 0,5 mm como electrodos en la superficie del MoS ₂ decorado con Pd películas y la parte trasera de Si como los electrodos, respectivamente.

MoS ₂ Las películas se caracterizaron mediante espectroscopía Raman (HORIBA, HR800) con una longitud de onda de excitación de 488 nm. La superficie de la muestra se caracterizó mediante microscopio de fuerza atómica (AFM). Los espectros de espectroscopía de fotoemisión de rayos X (XPS) se realizaron mediante un espectrómetro Kratos Axis ULTRA utilizando una fuente de rayos X monocromática de Al Kα (1486,6 eV). Se realizó microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) en un JEOL JEM-2100F. Los espectros de transmisión se midieron con un espectrofotómetro Shimadzu UV-3150. La espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta (UPS) se realizó utilizando una lámpara de descarga de gas He-I (21,22 eV) sin filtrar.

Por la exposición de los sensores a diferentes concentraciones de H ₂ en aire seco a temperatura ambiente, las propiedades de detección se midieron en una cámara, donde se monta el dispositivo sensor y se registró la corriente con el medidor de fuente Keithley 2400. Para la recuperación de los sensores, se abrió la cámara y se llenó de aire en la cámara.

Resultados y discusión

La identificación química de MoS ₂ decorado con Pd la película es conducida por XPS, como se muestra en la Fig. 1. El espectro de encuesta XPS de la muestra se muestra en la Fig. 1a. El espectro consta de picos de Mo, S, Pd y O, lo que implica una síntesis exitosa de MoS ₂ con una pequeña cantidad de carbono residual en el SiO ₂ / Sustrato de Si. Además, el pico de C puede ser causado por el gas residual durante la deposición. Como se muestra en la Fig. 1b, los picos a 163,9 y 162,8 eV corresponden a la S 2p _1/2 y 2p _3/2 , respectivamente. El espectro de nivel de núcleo de Mo 3d se muestra en la Fig. 1c. El Mo 3d _3/2 y 3d _5/2 picos del MoS ₂ capa se encuentran en 233,1 y 229,9 eV, respectivamente. Además, el pico S 2s aparece a 227,1 eV. Estos resultados están casi de acuerdo con otros resultados [39, 40], lo que sugiere que el MoS ₂ pulverizado las capas tienen una buena estequiometría química. Como se muestra en la Fig. 1d, se asignan dos picos a 340,9 y 335,5 eV a Pd 3d _3/2 y 3d _5/2 , respectivamente. Las energías de enlace son similares a las de los metales Pd [41], lo que demuestra que el MoS ₂ de pocas capas está cubierto por la capa de metal Pd y no se produce una sustitución obvia de átomos de Mo con el dopaje de Pd.

un Encuesta XPS, b S 2p, c Mo 3d y d Espectros de nivel de núcleo 3D de Pd del MoS ₂ decorado con Pd de 5 nm capas sobre sustrato de Si

La Figura 2a muestra las imágenes AFM del MoS ₂ de pocas capas . El MoS ₂ La capa tiene una superficie lisa y no se observan crecimientos obvios, lo que demuestra el crecimiento en modo 2D del MoS ₂ película. Según nuestros resultados, la rugosidad cuadrática media (RMS) es de aproximadamente 0,78 nm. Después de la deposición de la capa decorativa de Pd de 5 nm, se pueden ver claramente cantidades de nanopartículas en la superficie, como se muestra en la Fig. 2b. Esto implica el crecimiento en modo 3D similar a una isla de la capa Pd. El diámetro medio de las nanopartículas de Pd es de aproximadamente 47,7 nm y la rugosidad de la superficie aumentó ligeramente a 0,89 nm debido a la deposición de las nanopartículas de Pd. Además, el tamaño de las nanopartículas de Pd muestra una dependencia obvia del espesor de la deposición de Pd (archivo adicional 1:Figura S1). La Figura 2c muestra la imagen HRTEM en sección transversal del MoS ₂ decorado con Pd capas sobre el sustrato de Si. La capa Pd y MoS ₂ La película se puede ver claramente en la figura. En la figura, se puede ver una brecha obvia de ~ 7.2 nm en la capa de Pd, como lo indica la flecha roja en la figura. Esto sugiere que la capa de Pd de 5 nm es discontinua y que se forman grandes cantidades de nanopartículas de Pd en el MoS ₂ superficie. El MoS ₂ chisporroteó la película muestra una estructura en capas clara con 2-3 capas atómicas S – Mo – S y la distancia entre las capas unitarias es de aproximadamente 0,65 nm, como se muestra en la imagen HRTEM ampliada en la Fig. 2d. Para ilustrar aún más la homogeneidad, los espectros Raman del MoS ₂ de pocas capas se toman de cuatro regiones diferentes de la muestra, respectivamente. Independientemente de la ubicación, dos modos activos Raman típicos de MoS ₂ se puede ver en la Fig. 2e, la E ¹ _2g modo a ∼ 381,9 cm ⁻¹ y A _1g modo a ∼ 405,1 cm ⁻¹ . El E ¹ _2g El modo corresponde a los átomos de azufre y molibdeno que oscilan en antifase paralelos al plano cristalino y el A _1g El modo corresponde a los átomos de azufre que oscilan en antifase fuera del plano, como se muestra en los recuadros de la derecha. La diferencia del Raman cambia entre A _1g y E ¹ _2g , ~ 23,2 cm ⁻¹ refleja el número de MoS ₂ capas. Este valor es mayor que la monocapa MoS ₂ [42,43,44], aunque más pequeño que el volumen [45,46,47], lo que indica la síntesis de MoS ₂ de pocas capas .

Imágenes AFM del MoS ₂ capas a sin decoración Pd, y b con decoración Pd de 5 nm. c Imagen HRTEM del MoS ₂ decorado con Pd capas sobre el sustrato de Si. La flecha roja indica el espacio entre dos nanopartículas de Pd. d Imagen HRTEM ampliada. e Espectros Raman típicos del MoS ₂ recién crecido capas de Si de diferentes regiones de la muestra

Para demostrar las características de transporte del MoS ₂ decorado con Pd películas, la dependencia de la resistividad ( ρ ) en la temperatura ( T ) de diferentes muestras cultivadas en SiO ₂ de 300 nm Se investigaron sustratos de / Si, como se muestra en la Fig. 3. La Figura 3a muestra la ρ - T curva para el MoS ₂ de pocas capas y el recuadro muestra la ilustración esquemática de las mediciones con la técnica de van der Pauw. La resistividad del MoS ₂ disminuye al aumentar la temperatura de medición, lo que está de acuerdo con su naturaleza semiconductora. La figura 3b muestra el ρ - T curva de la capa de Pd de 5 nm y el recuadro muestra la ρ - T curva de la capa de Pd de 10 nm. Debido a la discontinuidad, la resistividad de la capa de Pd de 5 nm disminuye al aumentar la temperatura, mostrando las características del semiconductor. Cuando la capa de Pd aumenta a 10 nm, la resistividad aumenta al aumentar la temperatura, como se muestra en el recuadro. Esto está de acuerdo con las características del metal, lo que implica que la capa de Pd se vuelve continua cuando el Pd aumenta de 5 a 10 nm. Cuando el MoS ₂ de pocas capas está decorado con Pd de 5 nm, su ρ - T La curva se muestra en la Fig. 3c. El MoS ₂ decorado con Pd La película exhibe características semiconductoras y su resistividad disminuye al aumentar las temperaturas. Además, la resistividad del MoS ₂ decorado con Pd la película mide aproximadamente 1,1 Ω cm. Este valor es mucho más pequeño que los de un MoS ₂ capa y capa de Pd de 5 nm, 29,6 y 9,5 Ω cm, respectivamente. La gran disminución de la resistividad del MoS ₂ decorado con Pd La película debe ser inducida por la conexión efectiva entre la capa de Pd y las pocas capas de MoS ₂ en la interfaz. La figura 3d muestra además la dependencia de la resistividad del MoS ₂ decorado con Pd película sobre el espesor de la capa de Pd ( d _Pd ). La resistividad del MoS ₂ decorado con Pd películas disminuye al aumentar el espesor de Pd, y se observa una fuerte disminución de la resistividad cuando d _Pd> 5 nm. Esto significa que las nanopartículas de Pd discontinuas alcanzan la máxima cobertura en la superficie del MoS ₂ de pocas capas cuando d _Pd es de alrededor de 5 millas náuticas.

Curva de resistividad-temperatura de diferentes muestras cultivadas en SiO ₂ de 300 nm / Sustrato de Si. un MoS ₂ de pocas capas . El recuadro muestra la ilustración esquemática de las medidas. b Capa de Pd de 5 nm. El recuadro muestra el ρ - T curva para la capa de Pd de 10 nm. c MoS ₂ decorado con Pd de 5 nm capas. d Resistividad del MoS ₂ decorado con Pd capas en función del espesor de Pd

La Figura 4a muestra la curva I-V del MoS ₂ decorado con Pd / SiO ₂ Unión / Si a temperatura ambiente y d _Pd =5,0 nm. El recuadro muestra la ilustración esquemática de las medidas. De la figura, la unión exhibe un comportamiento rectificador obvio. La Figura 4b muestra el espectro de UPS del MoS ₂ de pocas capas película. La función de trabajo ( W ) de la película se calcula mediante la diferencia entre el límite de la energía de enlace más alta y la energía del fotón de la radiación de excitación [48], ~ 5,53 eV. La distancia ( E _p ) entre la banda de valencia ( E _V ) y nivel de Fermi ( E _F ) del MoS ₂ La película se extrae de la energía de inicio, como se muestra en el recuadro, ~ 0,48 eV. Del espectro de transmisión del MoS ₂ película (archivo adicional 1:Figura S2), ( αhν ) ² se representa en función de la energía de los fotones hν en la Fig. 4c, donde h , ν y α representan la constante de Planck, la frecuencia de los fotones y el coeficiente de absorción, respectivamente [49]. La banda prohibida ( E _g ) de la película está determinada por la intersección de la línea en hν eje, E _g =1,48 eV. En consecuencia, el p -tipo de comportamiento para el MoS ₂ recién crecido se puede probar la película. Las mediciones de Hall muestran además que la concentración del portador de tipo agujero y la movilidad son aproximadamente 4,38 × 10 ¹⁵ / cm ³ y 11,3 cm ² / Vs, respectivamente. La p -las características de tipo pueden deberse a la adsorción de otras moléculas de gas [39]. Según los resultados anteriores, los diagramas de bandas de energía aisladas del MoS ₂ de pocas capas película y n -Si están construidos, como se muestra en la Fig. 4d. En la figura, W =4.21 eV, E _g =1,12 eV y E _p =0,92 eV para n -Si se utilizan [50]. Además, el SiO ₂ capa como la capa de pasivación superficial del sustrato de Si se incorpora en la interfaz en el diagrama de bandas de energía. Cuando el MoS ₂ decorado con Pd La película se deposita sobre el sustrato de Si, los electrones fluyen desde el sustrato hacia la película en la interfaz debido a la mayor E _F del Si. El proceso de flujo se detiene cuando los niveles de Fermi son iguales y el MoS ₂ decorado con Pd / Si p-n La unión está fabricada, como se muestra en la Fig. 4d. Como resultado, un campo eléctrico incorporado ( V _bi ) se forma cerca de la interfaz y sus puntos de dirección desde el sustrato al MoS ₂ . Por lo tanto, las características asimétricas y las características rectificadoras obvias se pueden observar en la curva I-V en la Fig. 4a. En una heterounión de semiconductor [51], la corriente inversa se puede describir como

$$ {I} _ {-} \ propto \ exp \ left (- \ frac {qV_ {bi}} {k_0T} \ right) $$ (1)

un Características I-V del MoS ₂ decorado con Pd / Si heterounión. El recuadro muestra la ilustración esquemática de las medidas. b Espectros de UPS del MoS ₂ capas sobre sustrato de Si. c Curva de ( αhν ) ² vs hν del MoS ₂ capas. El diagrama de bandas de energía en el MoS ₂ / Si interfaz antes del contacto ( d ) y después del contacto ( e )

donde yo _- , q , k ₀ y T representan la corriente inversa, la carga de electrones, la constante de Boltzmann y la temperatura. Así, las corrientes del MoS ₂ decorado con Pd / Si p-n La unión se puede cambiar ajustando el campo incorporado V _bi .

La Figura 5a muestra el gráfico semilogaritmo de las curvas I-V medidas del MoS ₂ de pocas capas decorado con Pd (5,0 nm) / SiO ₂ / Si p-n unión en aire y H ₂ puro a RT, respectivamente. De la figura, obvio H ₂ Las características de detección se pueden ver en el rango de voltaje inverso. La sensibilidad ( S ) del dispositivo se define como

$$ S =\ frac {I_ {H2}} {I _ {\ mathrm {air}}} \ times 100 \% $$ (2)

un Curvas LgI ~ V del MoS ₂ decorado con Pd / Si heterounión. b yo vs t gráficos del MoS ₂ decorado con Pd / Si heterounión expuesta a H ₂ puro a - 1.0 V y RT. c , d Bordes de respuesta y recuperación agrandados, respectivamente, de la curva de detección. El tiempo de respuesta ( t _res ) es el intervalo de tiempo para que la respuesta aumente del 10 al 90% del cambio total de corriente. El tiempo de recuperación ( t _rec ) es el intervalo de tiempo para que la respuesta decaiga del 90 al 10% del cambio de corriente total

donde yo _H2 y yo _aire representar la corriente bajo H ₂ y aire acondicionado, respectivamente. A - 1,0 V, S se calcula, ~ 9.2 × 10 ³ %. Este valor es mucho mayor que el resultado (solo el 35,3%) del MoS de pocas capas decorado con Pd único ₂ sensor [32]. Comparativamente, la sensibilidad de MoS ₂ de pocas capas / SiO ₂ / Si heterounión sin decoración de Pd y Pd / SiO de 5 nm ₂ / Si heterounión sin el MoS ₂ de pocas capas en nuestros experimentos son sólo el 15 y el 133% (archivo adicional 1:Figura S3), respectivamente. Por lo tanto, el H ₂ Las características de detección se pueden mejorar en gran medida debido a la conexión efectiva entre las nanopartículas de Pd y el MoS ₂ de pocas capas . Cuando el MoS ₂ decorado con Pd está expuesto a H ₂ , las nanopartículas de Pd como capa sensible reacciona con moléculas de hidrógeno e hidruro de paladio (PdH _x ) se forma [52]. En consecuencia, se liberan grandes cantidades de electrones de la capa de Pd y se inyectan en el MoS ₂ película, lo que da como resultado que los portadores de tipo orificio se compensen y la concentración de orificios disminuya. Esto puede causar el cambio del nivel de Fermi del MoS ₂ película hacia la banda de conducción en consecuencia y la altura de la barrera inducida por la V _bi en el MoS ₂ / Si disminuye la interfaz. Según Eq. 2, las corrientes de unión aumentan después de la exposición del dispositivo a H ₂ . Cuando la heterounión está sesgada positivamente, las características de detección son mucho más deficientes que en el rango de sesgo negativo, como se muestra en la figura. En el rango de voltaje positivo, se inyectan grandes cantidades de electrones en el MoS ₂ capas del sustrato de Si. En esta condición, los electrones de PdH _x tienen pocos efectos sobre la concentración de electrones del MoS ₂ capa. Por lo tanto, la heterounión muestra características de detección no obvias en el rango positivo. La Figura 5b presenta el cambio de corriente reproducible del MoS ₂ decorado con Pd / SiO ₂ / Sensor de Si en H ₂ condiciones a - 1.0 V y RT. Cuando las condiciones se cambian alternativamente entre aire y H ₂ , se muestran dos estados de corriente distintos para el sensor, el estado de corriente "alta" en el aire y el estado de corriente "baja" en H ₂ , respectivamente. Como se muestra en la figura, tanto el estado "alto" como el "bajo" son estables y bien reversibles. Las velocidades de respuesta y recuperación se evalúan mediante los bordes de subida y bajada, respectivamente, de la curva de detección, como se muestra en las Fig. 5c, d. El tiempo de respuesta ( t _res ) se define como el intervalo de tiempo para que la corriente aumente del 10 al 90% del cambio total y el tiempo de recuperación ( t _rec ) es el intervalo de tiempo para que la corriente decaiga del 90 al 10% del cambio total. A partir de las cifras, se puede estimar la respuesta y recuperación de 10,7 y 8,3 s, respectivamente. Vale la pena señalar que la rápida respuesta y recuperación del MoS ₂ decorado con Pd / SiO ₂ / Si sensor es uno de los mejores resultados obtenidos para el H ₂ sensores en RT [2,3,4,5]. Durante el proceso de detección, el MoS ₂ de pocas capas es fundamental en función de los siguientes tres aspectos:(i) 2D MoS ₂ La capa proporciona una alta relación superficie-volumen y sirve como plataforma para la conexión de las nanopartículas de Pd, lo que podría prometerle al sensor características altamente sensibles a H ₂ exposición. (ii) La estructura en capas proporciona un gran espacio de almacenamiento para los electrones inyectados a partir de nanopartículas de Pd. Esto puede mejorar significativamente la sensibilidad del sensor fabricado. Por el contrario, en los sensores de grafeno monocapa, la sensibilidad podría verse limitada por el escaso espacio de almacenamiento de los portadores inyectados. (iii) Como se muestra en la Fig. 2c, d, debido a sus características continuas, el MoS ₂ La capa ofrece trayectos de alta velocidad para el transporte de los portadores inyectados. Por lo tanto, se puede lograr una alta velocidad de respuesta y recuperación.

La Figura 6a muestra la respuesta dinámica del MoS ₂ decorado con Pd / SiO ₂ / Sensor de Si al variar H ₂ concentración de 0.5 a 5.0% a - 1.0 V. El recuadro muestra la curva de detección ampliada del sensor en el H ₂ concentración de 0,5%. El sensor muestra una respuesta significativa en cada H ₂ nivel, incluso a la baja concentración de 0,5%. Fuerte dependencia de la respuesta de H ₂ Los niveles se pueden ver en la figura. La Figura 6b muestra además el tiempo de respuesta y recuperación en función de H ₂ concentración, respectivamente. Como se muestra en la figura, tanto t _res y t _rec aumentar continuamente al disminuir el H ₂ niveles. Cuando el H ₂ la concentración disminuye de 5.0 a 0.5%, t _res aumenta de 21,7 a 36,8 sy t _rec aumenta de 15,5 a 35,3 s. La Figura 6c muestra la dependencia de la sensibilidad del sensor en H ₂ niveles. El sensor muestra una correlación casi lineal entre su sensibilidad y el H ₂ concentración. Cuando el sensor está expuesto a H ₂ concentración del 5%, S es de aproximadamente 4,3 × 10 ³ %. Al disminuir el H ₂ nivel, S disminuye gradualmente, lo que es causado por la reducción de la cantidad reducida de moléculas de hidrógeno absorbidas por las nanopartículas de Pd. Debajo de H ₂ concentración de 0,5%, S disminuye a 5,7 × 10 ² %.

un Respuestas dinámicas del MoS ₂ decorado con Pd / Si heterounión sobre H ₂ consecuente en concentraciones variables de 0,5 a 5% a - 1,0 V. El recuadro muestra la imagen ampliada de las características de detección de la heterounión debajo de H ₂ de 0,5%. b Dependencia de t _res y t _rec en H ₂ concentración. c Dependencia de la respuesta de detección de la heterounión en H ₂ concentración

El espesor de Pd es un factor crucial para controlar la densidad de las nanopartículas de Pd y determinar aún más el rendimiento de la detección. La Figura 7a – d muestra las curvas de detección de MoS ₂ decorado con Pd / SiO ₂ / Sensores de Si con diferente espesor de Pd, d _Pd =~ 1.0, ~ 5.0, ~ 10.0 y ~ 30.0 nm. Como se muestra en la figura, cada sensor muestra características de detección obvias para H ₂ . La figura 7e, f muestra la sensibilidad y el tiempo de respuesta de los sensores en función del espesor de Pd. La Figura 7g – i muestra la ilustración esquemática de la reacción de H ₂ en el MoS ₂ decorado con Pd / SiO ₂ / Heterounión de Si con diferentes espesores de Pd. Cuando la capa de Pd es muy delgada, como 1.0 nm, las partículas de Pd en las pocas capas de MoS ₂ no están claras (archivo adicional 1:Figura S1) y la densidad de cobertura de las nanopartículas de Pd podría ser muy baja, como se muestra en la Fig. 7g. En esta condición, el sensor muestra las características de detección a H ₂ , sin embargo, la sensibilidad resultante es solo del 120,7% y la respuesta es relativamente lenta, alrededor de 58,1 s. Con el aumento del espesor de Pd, la densidad de cobertura de las nanopartículas de Pd aumenta en las pocas capas de MoS ₂ superficie, como se ilustra en la Fig. 7h. Grandes cantidades de H ₂ Las moléculas pueden reaccionar rápidamente con las nanopartículas de Pd debido al aumento del área de contacto y se liberan grandes cantidades de electrones en las pocas capas de MoS ₂ . En consecuencia, la sensibilidad del sensor aumenta gradualmente, como se muestra en la Fig. 7e. Cuando d _Pd =5.0 nm, el sensor exhibe el máximo S valor de ~ 9.2 × 10 ³ % con una respuesta rápida de 10,7 s. Por lo tanto, las características de detección mejoradas se pueden atribuir a la mayor cobertura de nanopartículas de Pd. Sin embargo, cuando el espesor de Pd aumenta más, la sensibilidad del sensor disminuye. En una capa gruesa de Pd, como d _Pd =30,0 nm, la capa de Pd se vuelve continua y la cantidad de nanopartículas de Pd se reduce en gran medida, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1. Esto da como resultado la disminución del área de contacto entre la superficie del dispositivo y el H ₂ ambiental , leading to the decrease of the sensitivity. When d _Pd = 30.0 nm, S = 1.5 × 10³ %. From Fig. 7c, d, obvious charge accumulation that both the I _aire y yo _H2 exhibit negative slopes over the total duration of the exposure can be seen in the sensing curves for the sensors with the thick Pd layer [47]. This is not obvious for the sensors with thinner Pd layers (d _Pd = 1.0, 3.0, and 5.0 nm). 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. un 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 - yo Schematic illustration of the reaction of H₂ on the Pd-decorated MoS₂ /Si heterojunction with different Pd thickness

Conclusiones

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.

Abreviaturas

AFM:: Microscopio de fuerza atómica
d _Pd :: Thickness of the Pd layer
E _C :: Conduction band level
E _F :: Fermi energy level
E _g :: Energy band gap
E _p :: Distance between E _V y E _F
E _V :: Valence band level
HRTEM:: High-resolution transmission electron microscopy
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

Síntesis de calentamiento de estado sólido de compuesto de poli (3,4-etilendioxitiofeno) / oro / grafeno y su aplicación para la determinación amperométrica de nitrito y yodato Oscilaciones del estado de oxidación del cerio impulsadas por la difusión de oxígeno en nanocerías coloidales (CeO2 - x)

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