Pdナノ粒子の表面装飾による数層MoS2 / SiO2 / Siヘテロ接合の高度に強化されたH2センシング性能

背景

クリーンで豊富なエネルギー源として、水素（H ₂ ）さまざまな種類の燃料電池に利用されています。同時に、H ₂ は味がなく、無色で爆発性のガスであり、安全上の懸念を引き起こす可能性があります[1]。安全な操作のために、H ₂ したがって、センサーはH ₂ を検出および監視するために重要です。 リアルタイムでリークします。現在、金属酸化物センサーはH ₂ の検出に効果的です。 [2、3、4、5]。ただし、金属酸化物ベースのH ₂ センサーは高い動作温度（〜150°C）を必要とします。これは、H ₂ であるため、安全性自体にリスクをもたらす可能性があります。 可燃性が高いです。この点で、信頼性の高いH ₂ を開発するために、新しい敏感な材料を合成することが非常に望ましい。 室温（RT）で動作できるセンサー。

二硫化モリブデン（MoS ₂ ）は、グラフェン類似体の典型的な候補の1つであり、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）のメンバーとして、その優れた特性により最近大きな注目を集めています[6、7、8、9、10]。構造的に、各MoS ₂ 単位層は共有結合したMo–S原子で構成され、隣接する層はファンデルワールス力によって互いに結合します。これらの特性は、一方で、2次元（2D）MoS ₂ を約束します。 表面積対体積比が高い。一方、MoS ₂ 原子層間のファンデルワールス力が弱いため、単分子層または数層に容易に剥離できます。 MoS ₂ の望ましい品質でも さまざまな用途向けに、大面積で高品質のMoS ₂ の製造 超薄膜は今日まで挑戦を続けています。機械的剥離[11、12、13]などの従来のアプローチでは、大面積のデバイスアプリケーションには拡張できない局所的な層状フレークが生成されます。近年、大面積のMoS ₂ を生成するために、化学蒸着が検討されています。 単層/数層フィルム[14、15、16]。ただし、この手法では800〜1000°Cの範囲の高いプロセス温度が必要であり、層内の硫黄の深刻な揮発と界面での拡散を引き起こす可能性があります。したがって、大面積のMoS ₂ を成長させることができる代替の合成方法を開発する必要があります。 超薄膜。最近、主にマグネトロンスパッタリング技術とパルス層堆積を含む物理蒸着[17,18,19,20,21,22]が、ウェーハスケールのMoS _{2 <の成長を実現するための別の効果的なアプローチであることが証明されました。 / sub> 約300°Cのはるかに低い成長温度での単層/数層フィルム。結果は、スパッタされた数層のMoS 2 フィルムは、〜181cm ² の高い移動度など、優れた輸送特性を示します。 / Vsおよび〜10 ⁴ の大電流オン/オフ比 [20]。}

大きな表面積対体積比と優れた半導体輸送特性に基づいて、単層/数層のMoS ₂ フィルムは、センシングアプリケーションの潜在的な候補になると期待されています。研究者は、MoS ₂ のセンシング特性について多くの研究を行ってきました。 NH ₃ などの多くの種類の化学ガスに対する超薄膜 、NO、NO ₂ 、など[23,24,25,26,27,28,29,30]。これらのガス分子は極性構造に属し、MoS ₂ の表面間で電荷を簡単に交換できます。 および上記の分子。したがって、MoS ₂ ベースのデバイスは、高感度、超低検出限界、高速応答など、極分子に対して高い検出性能を発揮します。ただし、H ₂ にとっては非常に困難です。 MoS ₂ によって検出されます その無極性の性質のため。 MoSの装飾 ₂ 金属パラジウム（Pd）ナノ粒子を含むナノシートは、センサーの応答を向上させることができ、特にPdで装飾されたMoS ₂ 複合材料は、H ₂ に対して明らかな応答を示しています Pd触媒効果による[31、32]。ただし、H ₂ 報告されたPdで装飾されたMoS ₂ の感度 センサーが低いです。以前の研究[33、34]では、ヘテロ接合型H ₂ を提案しました。 MoS ₂ を組み合わせたセンサーデバイス Siを含むフィルム。よく知られているように、Siはその豊富さと成熟した処理技術により、商用電子デバイス市場を支配しています。 MoS ₂ の統合を通じて、実用的なデバイスを開発するための簡単なルートを提供します。 Siに[35,36,37,38]。私たちの結果は、MoS ₂ / SiO ₂ H ₂ としての/ Siヘテロ接合 センサーは約10 ⁴ の高感度を示します ％。ただし、応答と回復時間は非常に長く、〜443.5秒です。応答速度が遅いのは、主に厚膜でのH拡散の難しさが原因です。上記の分析に基づいて、2D数層MoS ₂ の統合により、高感度のパフォーマンスが実現されます。 Siウェーハへのフィルム。私たちの知る限り、これまでに関連する結果は示されていません。

この作業では、ウェーハスケールの数層のMoS ₂ の成長を報告します。 SiO ₂ への超薄膜 DCスパッタリング技術とMoS ₂ の表面装飾を使用した/ Si Pdナノ粒子の合成によって実行されます。さらに、Pdで装飾されたMoS ₂ / SiO ₂ / Siヘテロ接合は、H ₂ に対して明らかな電気的応答を示します パフォーマンスは、高感度、高速応答、および回復によって特徴づけられます。 Pd層の厚さがH ₂ に及ぼす影響 センシング性能はさらに研究されています。検出メカニズムは、製造されたヘテロ接合の界面でのエネルギーバンドアライメントの構築によって明らかになります。

メソッド

数層のMoS ₂ 膜は、DCマグネトロンスパッタリング技術によって（100）配向Si基板上に成長しました。自家製の多結晶MoS ₂ この作業ではターゲットを使用し、純度は約99％でした。この研究で使用されたSi基板はn型半導体であり、抵抗率は約1〜6Ωcmです。蒸着前に、ウェーハを12.5mm×12.5mmのスライスに切断し、アルコール、アセトン、脱イオン水で順番に超音波洗浄しました。次に、基板をHF溶液（〜5％）に60.0秒間浸漬して、Si表面から自然酸化物層を除去しました。その後、基板の酸化処理を過酸化物溶液（〜40.0％）中で100°Cで20.0分間行い、SiO ₂ を形成しました。 Si表面のパッシベーション層。 SiO ₂ 層はヘテロ接合で2つの役割を果たしました。 SiO ₂ 層は、MoS ₂ の2D層モード成長のための滑らかな基板表面を供給することができます レイヤー。同時に、SiO ₂ レイヤーはMoS ₂ のインターフェースを改善する可能性があります / Si MoS ₂ 間の拡散を減少させる とSi。続いて、MoS ₂ 膜はSiO ₂ 上で成長しました -それぞれ450°Cの温度でバッファリングされたSi基板。堆積中、アルゴンガスの圧力と作動電力は、それぞれ1.0Paと10.0Wに保たれました。 MoS ₂ の成長後 フィルムでは、異なる厚さ（1.0、3.0、5.0、10.0、15.0、および30.0 nm）のPdナノ粒子層をその場でスパッタリングし、MoS ₂ に装飾しました。 それぞれ表面。堆積温度、使用圧力、および電力は、それぞれRT（〜300 K）、3.0 Pa、および10.0Wでした。最後に、電極として直径0.5 mmの厚さ約300μmのインジウム（In）パッドを、Pdで装飾されたMoS ₂ の表面に押し付けました。 フィルムと電極としてのSi裏面。

MoS ₂ フィルムは、励起波長488 nmのラマン分光法（HORIBA、HR800）を使用して特性評価されました。サンプルの表面は、原子間力顕微鏡（AFM）によって特徴づけられました。 X線光電子分光法（XPS）スペクトルは、単色AlKαX線源（1486.6 eV）を使用してKratos AxisULTRA分光計によって実行されました。高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）は、JEOLJEM-2100Fで実行されました。透過スペクトルは島津UV-3150分光光度計で測定した。紫外光電子分光法（UPS）は、フィルター処理されていないHe-I（21.22 eV）ガス放電ランプを使用して実行されました。

H ₂ の異なる濃度でのセンサーの露出による RTの乾燥空気中で、センサーデバイスが取り付けられているチャンバー内でセンシング特性が測定され、Keithley2400ソースメーターによって電流が記録されました。センサーの回収のために、チャンバーが開かれ、空気がチャンバーに充填されました。

結果と考察

Pdで装飾されたMoS ₂ の化学的同定 図1に示すように、フィルムはXPSによって実行されます。サンプルのXPS調査スペクトルが図1aに表示されます。スペクトルは、Mo、S、Pd、およびOのピークで構成されています。これは、MoS ₂ の合成が成功したことを意味します。 SiO ₂ に少量の残留炭素がある / Si基板。さらに、Cピークは、堆積中の残留ガスによって引き起こされる可能性があります。図1bに示すように、163.9および162.8eVのピークはS2p _1/2 に対応します。 および2p _3/2 、 それぞれ。 Mo3dコアレベルスペクトルを図1cに示します。 Mo 3d _3/2 および3d _5/2 MoS ₂ のピーク 層はそれぞれ233.1および229.9eVにあります。さらに、S2sピークは227.1eVに現れます。これらの結果は他の結果とほぼ一致しており[39、40]、スパッタされたMoS ₂ を示唆しています。 層は化学量論的に優れています。図1dに示すように、340.9および335.5eVの2つのピークがPd3d _3/2 に割り当てられています。 および3d _5/2 、 それぞれ。結合エネルギーはPd金属の結合エネルギーと類似しており[41]、数層のMoS ₂ は金属Pd層で覆われており、Mo原子がPdドーピングで明らかに置換されることはありません。

a XPS調査、 b S 2p、 c Mo 3d、および d 5 nmPd装飾MoS ₂ のPd3dコアレベルスペクトル Si基板上の層

図2aは、数層のMoS ₂ のAFM画像を示しています。 。 MoS ₂ 層の表面は滑らかで、明らかな成長は観察されません。これは、MoS ₂ の2Dモードの成長を示しています。 映画。私たちの結果によると、二乗平均平方根粗さ（RMS）は約0.78nmです。図2bに示すように、5 nmのPd装飾層の堆積後、表面上のナノ粒子の量をはっきりと見ることができます。これは、Pd層の島のような3Dモードの成長を意味します。 Pdナノ粒子の平均直径は約47.7nmであり、Pdナノ粒子の堆積により表面粗さはわずかに0.89nmに増加しました。さらに、Pdナノ粒子のサイズは、Pd堆積の厚さに明らかに依存していることを示しています（追加ファイル1：図S1）。図2cは、Pdで装飾されたMoS ₂ の断面HRTEM画像を示しています。 Si基板上の層。 Pd層とMoS ₂ 図からフィルムがはっきりと見えます。図から、図の赤い矢印で示されているように、Pd層に約7.2nmの明らかなギャップが見られます。これは、5 nmのPd層が不連続であり、MoS ₂ 上に大量のPdナノ粒子が形成されていることを示しています。 水面。スパッタされたMoS ₂ 図2dの拡大HRTEM画像に示すように、フィルムは2〜3原子のS–Mo–S層を備えた明確な層状構造を示し、単位層間の距離は約0.65nmです。均質性をさらに説明するために、数層のMoS ₂ のラマンスペクトル それぞれ、サンプルの4つの異なる領域から取得されます。場所に関係なく、MoS ₂ の2つの典型的なラマン活性モード 図2eからわかるように、E ¹ _2g 〜381.9cm ^-1 でのモード およびA _1g 〜405.1cm ^-1 でのモード 。 E ¹ _2g モードは、結晶面に平行に逆位相で振動する硫黄原子とモリブデン原子、およびA _1g に対応します。 モードは、右の挿入図に示すように、面外で逆位相で振動する硫黄原子に対応します。 A _1g 間のラマンシフトの違い およびE ¹ _2g 、〜23.2cm ^-1 MoS ₂ の数を反映します レイヤー。この値は、単分子層のMoS ₂ よりも大きくなります。 [42,43,44]、バルク[45,46,47]よりも小さいが、数層のMoS ₂ の合成を示している 。

MoS ₂ のAFM画像 レイヤー a Pd装飾なし、および b 5 nmPd装飾付き。 c Pdで装飾されたMoS ₂ のHRTEM画像 Si基板上の層。赤い矢印は、2つのPdナノ粒子間のギャップを示しています。 d 拡大されたHRTEM画像。 e 成長したままのMoS ₂ の典型的なラマンスペクトル サンプルのさまざまな領域からのSi上の層

Pdで装飾されたMoS ₂ の輸送特性を実証するため フィルム、抵抗率の依存性（ρ ）温度（ T ）300 nm SiO ₂ で成長させたさまざまなサンプル 図3に示すように、/ Si基板を調査しました。図3aはρを示しています。 - T 数層のMoS ₂ の曲線 挿入図は、van derPauw手法を使用した測定の概略図を示しています。 MoS ₂ の抵抗率 半導体の性質と一致する測定温度の上昇とともに減少します。図3bは、ρを示しています。 - T 5 nm Pd層の曲線と挿入図は、ρを示しています。 - T 10 nmPd層の曲線。不連続性のため、5 nm Pd層の抵抗率は温度の上昇とともに減少し、半導体の特性を示します。挿入図に示すように、Pd層が10 nmに増加すると、抵抗率は温度の上昇とともに増加します。これは金属の特性と一致しており、Pdが5nmから10nmに増加するとPd層が連続的になることを意味します。数層のMoS ₂ 5 nm Pd、そのρで装飾されています - T 曲線を図3cに示します。 Pdで装飾されたMoS ₂ フィルムは半導体特性を示し、温度が上がると抵抗率が低下します。さらに、Pdで装飾されたMoS ₂ の抵抗率 フィルムは約1.1Ωcmです。この値は、単一のMoS ₂ の値よりもはるかに小さくなります。 層および5nm Pd層、それぞれ29.6および9.5Ωcm。 Pdで装飾されたMoS ₂ の抵抗率の大幅な低下 膜は、Pd層と数層のMoS ₂ の間の効果的な接続によって誘導される必要があります。 インターフェイスで。図3dは、Pdで装飾されたMoS ₂ の抵抗率の依存性をさらに示しています。 Pd層の厚さのフィルム（ d _Pd ）。 Pdで装飾されたMoS ₂ の抵抗率 膜はPdの厚さが増すにつれて減少し、 d のときに抵抗率の急激な減少が観察されます。 _Pd > 5nm。これは、不連続なPdナノ粒子が数層のMoS ₂ の表面で最大の被覆率に達することを意味します。 d のとき _Pd 約5nmです。

300 nm SiO ₂ で成長させたさまざまなサンプルの抵抗率-温度曲線 / Si基板。 a 数層のMoS ₂ 。挿入図は、測定の概略図を示しています。 b 5 nmPd層。挿入図はρを示しています - T 10 nmPd層の曲線。 c 5 nmPdで装飾されたMoS ₂ レイヤー。 d Pdで装飾されたMoS ₂ の抵抗率 Pdの厚さの関数としての層

図4aは、Pdで装飾されたMoS ₂ のI-V曲線を示しています。 / SiO ₂ 室温および d での/ Si接合 _Pd =5.0nm。挿入図は、測定の概略図を示しています。図から、接合部は明らかな整流動作を示します。図4bは、数層のMoS ₂ のUPSスペクトルを示しています。 映画。仕事関数（ W ）フィルムの）は、最高の結合エネルギーのカットオフと励起放射線の光子エネルギーの差によって計算されます[48]、〜5.53eV。距離（ E _p ）価電子帯（ E _V ）およびフェルミ準位（ E _F ）MoS ₂ の 挿入図に示すように、フィルムは開始エネルギーから抽出されます。〜0.48eV。 MoS ₂ の透過スペクトルから フィルム（追加ファイル1：図S2）、（αhν ） ² 光子エネルギーhνの関数としてプロットされます 図4cでは、 h 、ν 、およびα プランク定数、光子周波数、および吸収係数をそれぞれ表します[49]。バンドギャップ（ E _g ）フィルムの）は、hνの線の切片によって決定されます 軸、 E _g =1.48eV。したがって、 p -成長したままのMoS ₂ のタイプの動作 フィルムを証明することができます。ホール測定はさらに、ホール型キャリアの濃度と移動度が約4.38×10 ¹⁵ であることを示しています。 / cm ³ および11.3cm ² それぞれ/ Vs。 p -タイプの特性は、他のガス分子の吸着によって引き起こされる可能性があります[39]。上記の結果に基づいて、数層のMoS ₂ の孤立したエネルギーバンド図 映画と n -Siは図4dに示すように構成されます。図では、 W =4.21eV、 E _g =1.12eV、および E _p = n の場合は0.92eV -Siが使用されています[50]。さらに、SiO ₂ Si基板の表面パッシベーション層としての層は、エネルギーバンド図の界面に組み込まれています。 Pdで装飾されたMoS ₂ 膜がSi基板上に堆積されると、 E が高くなるため、電子は基板から界面で膜に流れ込みます。 _F Siの。フェルミ準位が等しく、Pdで装飾されたMoS ₂ になると、流動プロセスが停止します。 / Si p-n 図4dに示すように、接合部が製造されます。その結果、ビルトイン電界（ V _bi ）は界面の近くに形成され、その方向は基板からMoS ₂ に向けられます。 。したがって、非対称特性と明らかな整流特性は、図4aのI-V曲線から観察できます。半導体ヘテロ接合[51]では、逆電流は次のように説明できます

a Pdで装飾されたMoS ₂ のI-V特性 / Siヘテロ接合。挿入図は、測定の概略図を示しています。 b MoS ₂ のUPSスペクトル Si基板上の層。 c （αhνの曲線 ） ² vs hν MoS ₂ の レイヤー。 MoS ₂ でのエネルギーバンド図 接触前の/ Siインターフェース（ d ）および連絡後（ e ）

ここで私 ₋ 、 q 、 k ₀ 、および T 逆電流、電子電荷、ボルツマン定数、および温度を表します。したがって、Pdで装飾されたMoS ₂ の電流 / Si p-n ジャンクションは、組み込みフィールド V を調整することで変更できます。 _bi 。

図5aは、Pd（5.0 nm）で装飾された数層MoS ₂ の測定されたI-V曲線の半対数プロットを示しています。 / SiO ₂ / Si p-n 空気中の接合部と純粋なH ₂ それぞれRTで。図から、明らかなH ₂ 検出特性は逆電圧範囲で見ることができます。感度（ S ）デバイスのは次のように定義されます

a Pdで装飾されたMoS ₂ のLgI〜V曲線 / Siヘテロ接合。 b 私 vs t Pdで装飾されたMoS ₂ のグラフ 純粋なH ₂ にさらされた/ Siヘテロ接合 − 1.0VおよびRTで。 c 、 d 検出曲線のそれぞれ拡大された応答エッジと回復エッジ。応答時間（ t _res ）は、応答が合計電流変化の10％から90％に上昇するまでの時間間隔です。回復時間（ t _rec ）は、応答が電流変化全体の90％から10％に減衰するまでの時間間隔です

ここで私 _H2 および私 _空気 H ₂ の下の電流を表します とエアコン、それぞれ。 − 1.0 Vで、 S 計算されます、〜9.2×10 ³ ％。この値は、単一のPdで装飾された数層のMoS ₂ の結果（わずか35.3％）よりもはるかに大きくなります。 センサー[32]。比較すると、数層のMoS ₂ の感度 / SiO ₂ Pd装飾なしの/ Siヘテロ接合および5nm Pd / SiO ₂ 数層のMoS ₂ のない/ Siヘテロ接合 私たちの実験では、それぞれわずか15％と133％です（追加ファイル1：図S3）。したがって、H ₂ Pdナノ粒子と数層のMoS ₂ が効果的に接続されているため、センシング特性を大幅に向上させることができます。 。 Pdで装飾されたMoS ₂ H ₂ にさらされます 、敏感な層としてのPdナノ粒子は、水素分子および水素化パラジウム（PdH _x ）が形成されます[52]。その結果、大量の電子がPd層から放出され、MoS ₂ に注入されます。 その結果、正孔型キャリアが補償され、正孔濃度が減少します。これにより、MoS ₂ のフェルミ準位がシフトする可能性があります。 それに応じて伝導帯に向かってフィルムを形成し、 V によって誘導されるバリアの高さ _bi MoS ₂ で / Siインターフェースが減少します。式によると。 2、接合電流は、デバイスがH ₂ にさらされた後に増加します。 。ヘテロ接合が正にバイアスされている場合、図に示すように、検出特性は負のバイアス範囲の場合よりもはるかに劣ります。正の電圧範囲では、大量の電子がMoS ₂ に注入されます。 Si基板からの層。この条件下で、PdH _x からの電子 MoS ₂ の電子濃度にはほとんど影響しません 層。したがって、ヘテロ接合は、正の範囲で明白でない検知特性を示します。図5bは、Pdで装飾されたMoS ₂ の再現可能な電流変化を示しています。 / SiO ₂ H ₂ の/ Siセンサー − 1.0VおよびRTでの条件。空気とH ₂ の間で条件が交互に変わる場合 、センサーの2つの異なる電流状態、空気中の「高」電流状態とH ₂ の「低」電流状態が示されています。 、 それぞれ。図に示すように、「高」状態と「低」状態はどちらも安定しており、十分に可逆的です。図5c、dに示すように、応答速度と回復速度は、それぞれ検出曲線の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジによって評価されます。応答時間（ t _res ）は、電流が変化全体の10％から90％に上昇する時間間隔、および回復時間（ t ）として定義されます。 _rec ）は、電流が変化全体の90％から10％に減衰する時間間隔です。図から、それぞれ10.7秒と8.3秒の応答と回復を見積もることができます。 Pdで装飾されたMoS ₂ の高速応答と回復は注目に値します。 / SiO ₂ / Siセンサーは、H ₂ で達成された最良の結果の1つです。 RTのセンサー[2、3、4、5]。センシングプロセス中、数層のMoS ₂ 次の3つの側面に基づいて重要です。（i）2D MoS ₂ 層は高い表面積対体積比を提供し、Pdナノ粒子を接続するためのプラットフォームとして機能します。これにより、H ₂ に対するセンサーの高感度特性が約束されます。 暴露。 （ii）層状構造は、Pdナノ粒子から注入された電子のための大きな貯蔵スペースを提供します。これにより、製造されたセンサーの感度を大幅に向上させることができます。対照的に、単層グラフェンセンサーでは、注入されたキャリアの低いストレージスペースによって感度が制限される可能性があります。 （iii）図2c、dに示すように、その連続特性により、MoS ₂ 層は、注入されたキャリアを輸送するための高速パスを提供します。したがって、高い応答速度と回復速度を実現できます。

図6aは、Pdで装飾されたMoS ₂ の動的応答を示しています。 / SiO ₂ H ₂ を変化させたときの/ Siセンサー -1.0 Vで0.5〜5.0％の濃度。挿入図は、H ₂ でのセンサーの拡大された検知曲線を示しています。 0.5％の濃度。センサーは、各H ₂ で有意な応答を示します 0.5％の低濃度でもレベル。応答のH ₂ への強い依存性 レベルは図から見ることができます。図6bは、H ₂ の関数としての応答時間と回復時間をさらに示しています。 それぞれ濃度。図に示すように、両方の t _res および t _rec H ₂ を減らすと連続的に増加します レベル。 H ₂ の場合 濃度が5.0から0.5％に減少、 t _res 21.7秒から36.8秒に増加し t _rec 15.5秒から35.3秒に増加します。図6cは、センサーの感度のH ₂ への依存性を示しています。 レベル。センサーは、感度とH ₂ の間にほぼ線形の相関関係を示しています 集中。センサーがH ₂ にさらされたとき 5％の濃度、 S 約4.3×10 ³ ％。 H ₂ を減らすと レベル、 S これは、Pdナノ粒子によって吸収される水素分子の減少量の減少によって引き起こされます。 H ₂ の下 0.5％の濃度、 S 5.7×10 ² に減少します ％。

a Pdで装飾されたMoS ₂ の動的応答 結果として生じるH ₂ での/ Siヘテロ接合 -1.0 Vで0.5〜5％のさまざまな濃度で。挿入図は、H ₂ でのヘテロ接合の検出特性の拡大画像を示しています。 0.5％の。 b t の依存関係 _res および t _rec H ₂ で 集中。 c ヘテロ接合のセンシング応答のH ₂ への依存性 濃度

Pdの厚さは、Pdナノ粒子の密度を制御し、センシング性能をさらに決定するための重要な要素です。図7a–dは、Pdで装飾されたMoS ₂ の検出曲線を示しています。 / SiO ₂ Pdの厚さが異なる/ Siセンサー、 d _Pd =〜1.0、〜5.0、〜10.0、および〜30.0nm。図に示すように、各センサーはH ₂ に対して明らかな検知特性を示します。 。図7e、fは、Pdの厚さの関数としてのセンサーの感度と応答時​​間を示しています。図7g–iは、H ₂ の反応の概略図を示しています。 Pdで装飾されたMoS ₂ / SiO ₂ Pdの厚さが異なる/ Siヘテロ接合。 Pd層が1.0nmのように非常に薄い場合、数層のMoS ₂ 上のPd粒子 図7gに示すように、不明確であり（追加ファイル1：図S1）、Pdナノ粒子の被覆密度が非常に低い可能性があります。この状態で、センサーはH ₂ に検知特性を示します。 ただし、結果として得られる感度はわずか120.7％であり、応答は比較的遅く、約58.1秒です。 Pdの厚さが増加すると、数層のMoS ₂ でPdナノ粒子の被覆密度が増加します。 図7hに示すように、表面。大量のH ₂ 接触面積が増加し、大量の電子が数層のMoS ₂ に放出されるため、分子はPdナノ粒子と迅速に反応できます。 。その結果、図7eに示すように、センサーの感度は徐々に増加します。 d のとき _Pd =5.0 nm、センサーは最大の S を示します 〜9.2×10 ³ の値 ％10.7秒の高速応答。したがって、改善された検知特性は、Pdナノ粒子の被覆率の増加に起因する可能性があります。 When the Pd thickness further increases, however, the sensitivity of the sensor decreases. In a thick Pd layer, such as d _Pd  = 30.0 nm, the Pd layer becomes continuous and the amount of the Pd nanoparticles reduces largely, as shown in Additional file 1:Figure S1. This results in the decrease of the contacting area between the device surface and ambient H₂ , leading to the decrease of the sensitivity. When d _Pd  = 30.0 nm, S  = 1.5 × 10 ³ %. From Fig. 7c, d, obvious charge accumulation that both the I _air および私 _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. 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

結論

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 /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.

略語

AFM：

原子間力顕微鏡

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 および E _F

E _V ：

Valence band level

HRTEM：

高分解能透過型電子顕微鏡

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