基于超薄二维氧化钼单晶纳米片的湿度传感器研究

Humidity sensor with small volume, low energy consumption and high sensitivity is of great value in space environment research. Due to remarkable electronic radial transport property, excellent reversible ion-intercalation and a large contact area to surrounding environments, 2D molybdenum oxide is one of idea materials to new humidity sensor. In this project, we propose to acquire high quality ultra-thin 2D molybdenum oxide single crystal nanoflakes with a new method combining the physical gas transport and mechanical exfoliation. To explore the influencing mechanism, the sensing ability of various kinds of devices based on the molybdenum oxide nanoflakes with different layers, size, treatment process, and electrodes will be systematically studied. Additionally，the coupling effect of molybdenum oxide single crystal nanoflakes and ion liquid will also be investigated. Afterwards, we will focus on optimizing the preparation process and the devices’ structure to improve the performance indexes and provide original experimental foundation to develop new humidity sensor based on 2D molybdenum oxide with high sensitivity and low energy consumption.

小体积、低能耗、高灵敏度的新型湿度传感器在空间环境研究领域有重要应用价值。二维氧化钼单晶纳米片因具有层状结构而具有良好的径向电子输运能力、出众的离子可逆插层作用、大的环境接触面积等特性，是理想的新型湿度探测材料之一。本项目将利用物理气相传输法和机械剥离相结合的新工艺获得高质量的超薄氧化钼单晶纳米片。并以此为突破点，对基于二维氧化钼单晶纳米片的器件在不同湿度范围内电学性质进行系统研究，以探究器件氧化钼单晶纳米片厚度、尺寸、后处理工艺、电极材料及器件结构对湿度探测灵敏度的影响；探索氧化钼纳米片与离子液体的耦合作用对湿度探测的影响；并在这些工作基础上优化器件结构和制备工艺，提高各项性能指标，基于二维氧化钼单晶纳米片的新型高灵敏、低能耗的湿度传感器应用打下实验基础。

α-MoO3单晶纳米片因具有层状结构而具有良好的径向电子输运能力、出众的离子可逆插层作用、大的比环境接触面积等特性，是潜在的气体探测新材料之一。本项目通过对生长工艺的探索和优化，利用物理气相传输法获得了平整的α-MoO3纳米片堆垛薄膜，制备了基于α-MoO3堆垛薄膜的三明治器件（Ag/α-MoO3/FTO），研究了水汽对其I-V特性影响及作用机制，验证了水参与的界面电化学反应导致了器件阻变效应的发生。.通过提高蒸发源的温度和延长蒸发时间，获得了尺寸较大的α-MoO3单晶，结合改进了机械剥离和转移的方法，获得了和厚度在10纳米左右且平面尺寸在100平方微米以上的较大面积超薄α-MoO3单晶纳米片。进而，制备了以较大面积超薄α-MoO3单晶薄纳米片为沟道材料，固态电解质（含Li+离子）作为栅极材料的晶体管结构的三端晶体管器件，发现对器件栅极施加不同电场，可以在α-MoO3层状结构中产生可逆的Li离子插层作用，实现了α-MoO3沟道电阻在低能耗条件下的多态可逆变化，并成功模拟了神经突触权重增强和减弱、短时记忆至长时记忆的转变等神经可塑性行为。同时发现，水分子可以增强这种插层作用，为研制基于二维氧化钼单晶纳米片的新型高灵敏、低能耗的湿度传感器应用提供了实验基础。.此外，本项目研制了微量气体模拟及校准系统，可以精确控制和校准不同水汽含量等多种环境气氛，为器件气体敏感特性的研究提供了有效手段，并且被转化应用到了半导体器件漏率和真空放气率等微小气体流量测试领域。