Дисульфид молибдена (MoS2) оказался одним из самых многообещающих. Однослойные и малослойные устройства из дисульфида молибдена были предложены для электронных, оптоэлектронных и энергетических приложений. Группа исследователей, возглавляемая инженерами из Калифорнийского университета, инженерного колледжа Борнса в Риверсайде, разработала еще одно потенциальное применение: датчики.
«Датчики сейчас повсюду, в том числе в смартфонах и других портативных электронных устройствах», — сказал Александр Баландин, президент Калифорнийского университета и профессор электротехники и вычислительной техники в Калифорнийском университете в Риверсайде, который является ведущим исследователем проекта. «Датчики, которые мы разработали, маленькие, тонкие, высокочувствительные и селективные, что делает их потенциально идеальными для многих приложений».Баландин и аспиранты в его лаборатории построили атомно-тонкие датчики газа и химических паров из дисульфида молибдена и протестировали их в сотрудничестве с исследователями из Политехнического института Ренсселера в Трое, штат Нью-Йорк.
Устройства имеют двумерные каналы, которые отлично подходят для сенсорных приложений. из-за высокого отношения поверхности к объему и широко настраиваемой концентрации электронов.Исследователи продемонстрировали, что сенсоры, которые они называют тонкопленочными полевыми транзисторами из дисульфида молибдена (TF-FET), могут выборочно обнаруживать пары этанола, ацетонитрила, толуола, хлороформа и метанола.Результаты были опубликованы в недавней статье «Селективное химическое зондирование паров с использованием многослойных тонкопленочных транзисторов MoS2: сравнение с графеновыми устройствами» в журнале Applied Physics Letters. Помимо Баландина, соавторами были Рамиз Самнакай и Ченглонг Цзян, оба доктора философии. студентов лаборатории Баландина, а также Михаила Шура и Сергея Румянцева из Политехнического института Ренсселера.
Селективное обнаружение не требовало предварительной функционализации поверхности для специфических паров. Испытания проводились как на фабричных, так и на преднамеренно состаренных устройствах. Датчики из дисульфида молибдена, использованные в исследовании, были выдержаны в течение двух месяцев, поскольку для практического применения требуется, чтобы датчики оставались стабильными и работоспособными не менее месяца.Датчики, изготовленные из атомарно тонких слоев MoS2, показали лучшую селективность по отношению к определенным газам из-за ширины запрещенной зоны электронов в этом материале, что привело к сильному подавлению электрического тока при воздействии некоторых газов.
С другой стороны, графеновые устройства продемонстрировали избирательность, когда в качестве параметра измерения использовались колебания тока.«Датчики, выполненные с атомарно тонкими слоями MoS2, дополняют графеновые устройства, и это хорошая новость», — сказал Баландин. «Графен имеет очень высокую подвижность электронов, в то время как MoS2 имеет запрещенную зону».Уникальность атомно-тонких газовых сенсоров, созданных UC Riverside — как графеновых, так и MoS2 — заключается в использовании низкочастотных колебаний тока в качестве дополнительного чувствительного сигнала.
Обычно такие химические датчики используют только изменение электрического тока через устройство или изменение сопротивления активного канала устройства.В отдельной статье те же исследователи продемонстрировали высокотемпературную работу атомно-тонкопленочных транзисторов из дисульфида молибдена.
Работа была описана в статье «Высокотемпературные характеристики тонкопленочных транзисторов MoS2: характеристики постоянного тока и импульсные вольт-амперные характеристики», которая только что была опубликована в Journal of Applied Physics.Многие электронные компоненты для систем управления и датчиков должны работать при температуре выше 200 градусов Цельсия. Примеры высокотемпературных применений включают управление газотурбинным двигателем в аэрокосмической отрасли, производство энергии и приборы для нефтяных месторождений.Доступность транзисторов и схем для работы при температурах выше 200 градусов Цельсия ограничена.
Устройства, изготовленные из карбида кремния и нитрида галлия — обычных полупроводников — перспективны для длительной высокотемпературной работы, но по-прежнему не являются рентабельными для приложений большого объема. Существует потребность в новых системах материалов, которые можно использовать для изготовления датчиков на полевых транзисторах, работающих при высоких температурах.