Performances de détection H2 hautement améliorées des hétérojonctions MoS2/SiO2/Si à quelques couches par la décoration de la surface des nanoparticules de Pd

Contexte

En tant que source d'énergie propre et abondante, l'hydrogène (H₂ ) a été utilisé dans divers types de piles à combustible. En même temps, H₂ est un gaz insipide, incolore et explosif, qui peut poser des problèmes de sécurité [1]. Pour un fonctionnement sûr, H₂ les capteurs sont donc cruciaux pour détecter et surveiller H₂ fuites en temps réel. Actuellement, les capteurs d'oxyde métallique sont efficaces pour la détection de H₂ [2,3,4,5]. Cependant, à base d'oxyde métallique H₂ les capteurs nécessitent une température de fonctionnement élevée (~ 150 °C), ce qui peut constituer un risque pour la sécurité elle-même puisque H₂ est hautement inflammable. À cet égard, il est hautement souhaitable de synthétiser de nouveaux matériaux sensibles pour développer un H₂ fiable. capteurs pouvant fonctionner à température ambiante (RT).

Bisulfure de molybdène (MoS₂ ), en tant que candidat typique des analogues du graphène et membre des dichalcogénures de métaux de transition (TMD), a récemment attiré une attention considérable en raison de ses excellentes propriétés [6,7,8,9,10]. Structurellement, chaque MoS₂ la couche unitaire est constituée d'atomes Mo-S liés de manière covalente et les couches voisines se lient les unes aux autres par les forces de van der Waals. Ces caractéristiques, d'une part, promettent un MoS₂ bidimensionnel (2D) un rapport surface/volume élevé. D'autre part, MoS₂ peut être facilement exfolié en monocouche ou en quelques couches en raison des faibles forces de van der Waals entre les couches atomiques. Même avec les qualités souhaitables de MoS₂ pour une variété d'applications, la fabrication de MoS₂ de grande qualité et de grande surface les films ultra-minces restent un défi à ce jour. Les approches conventionnelles, telles que l'exfoliation mécanique [11,12,13], produisent des flocons en couches localisés qui ne sont pas évolutifs pour les applications de dispositifs à grande surface. Ces dernières années, le dépôt chimique en phase vapeur a été exploré pour produire du MoS₂ sur de grandes surfaces. films mono/peu-couches [14,15,16]. Cependant, cette technique nécessite des températures de traitement élevées, comprises entre 800 et 1 000 °C, ce qui pourrait entraîner une grave volatilité du soufre dans les couches et la diffusion à l'interface. Ainsi, il est nécessaire de développer des méthodes de synthèse alternatives capables de cultiver du MoS₂ sur de grandes surfaces. films ultra-minces. Récemment, le dépôt physique en phase vapeur, comprenant principalement la technique de pulvérisation cathodique magnétron et le dépôt de couche pulsée [17,18,19,20,21,22], s'est avéré être une autre approche efficace pour réaliser la croissance du MoS à l'échelle de la plaquette_{2 films mono/peu-couches à une température de croissance beaucoup plus basse d'environ 300 °C. Les résultats démontrent que le MoS pulvérisé à quelques couches2 les films présentent des caractéristiques de transport remarquables, telles qu'une mobilité élevée de ~ 181 cm ² /Vs et un rapport marche/arrêt élevé de ~ 10 ⁴ [20].}

Basé sur le grand rapport surface/volume et d'excellentes propriétés de transport des semi-conducteurs, MoS mono/peu-couche₂ les films devraient être des candidats potentiels pour les applications de détection. Les chercheurs ont effectué des quantités d'études sur les propriétés de détection de MoS₂ films ultrafins à de nombreux types de gaz chimiques, tels que NH₃ , NON, NON₂ , etc. [23,24,25,26,27,28,29,30]. Ces molécules de gaz appartiennent à des structures polaires et les charges peuvent être facilement échangées entre la surface de MoS₂ et les molécules ci-dessus. Ainsi, MoS₂ Les dispositifs basés sur la technologie présentent des performances de détection élevées pour les molécules polaires, telles qu'une sensibilité élevée, une limite de détection ultra-basse et une réponse à grande vitesse. Cependant, c'est très difficile pour H₂ à détecter par MoS₂ en raison de sa nature non polaire. Décoration MoS₂ les nanofeuillets contenant des nanoparticules de palladium métallique (Pd) peuvent augmenter la réponse du capteur et, en particulier, le MoS₂ décoré de Pd les composites ont montré une réponse évidente à H₂ en raison de l'effet catalytique du Pd [31, 32]. Cependant, le H₂ sensibilité du MoS décoré au Pd₂ signalé capteurs est faible. Dans nos études précédentes [33, 34], nous avons proposé une hétérojonction de type H₂ capteurs en combinant MoS₂ films avec Si. Comme on le sait, Si domine le marché des appareils électroniques commerciaux en raison de sa grande abondance et de sa technologie de traitement mature. Il fournit une voie simple pour développer des dispositifs applicables dans la pratique grâce à l'intégration de MoS₂ sur Si [35,36,37,38]. Nos résultats démontrent que le MoS₂ /SiO₂ /Si hétérojonctions comme H₂ les capteurs présentent une sensibilité élevée, environ 10 ⁴ %. Cependant, le temps de réponse et de récupération est très long, ~ 443,5 s. La vitesse de réponse lente est principalement due aux difficultés de diffusion de H dans les films épais. Sur la base de l'analyse ci-dessus, des performances hautement sensibles seraient obtenues grâce à l'intégration de MoS 2D à quelques couches₂ films sur des plaquettes de Si. À notre connaissance, aucun résultat lié n'est présenté précédemment.

Dans ce travail, nous rapportons la croissance de MoS à l'échelle d'une plaquette et à quelques couches₂ films ultrafins sur SiO₂ /Si utilisant la technique de pulvérisation cathodique DC et la décoration de surface du MoS₂ sont réalisées par la synthèse de nanoparticules de Pd. De plus, le MoS₂ décoré de Pd /SiO₂ Les hétérojonctions /Si montrent une réponse électrique évidente vers H₂ et les performances peuvent être caractérisées par une sensibilité élevée, une réponse rapide et une récupération. L'effet de l'épaisseur de la couche de Pd sur H₂ les performances de détection sont étudiées plus en détail. Le mécanisme de détection est clarifié par la construction de l'alignement des bandes d'énergie à l'interface de l'hétérojonction fabriquée.

Méthodes

MoS à quelques couches₂ les films ont été développés sur des substrats de Si orientés (100) par la technique de pulvérisation cathodique magnétron DC. Le polycristal MoS₂ maison cible a été utilisée dans ce travail, et sa pureté était d'environ 99%. Les substrats de Si utilisés dans ce travail étaient des semi-conducteurs de type n et la résistivité est d'environ 1 à 6 cm. Avant le dépôt, les plaquettes ont été coupées en tranches de 12,5 mm x 12,5 mm et nettoyées par ultrasons en séquence avec de l'alcool, de l'acétone et de l'eau désionisée. Ensuite, les substrats ont été plongés dans une solution de HF (~ 5%) pendant 60,0 s pour éliminer la couche d'oxyde naturel de la surface de Si. Après cela, le traitement d'oxydation des substrats a été effectué dans une solution de peroxyde (~ 40,0%) à 100 °C pendant 20,0 min pour former un SiO₂ couche de passivation sur la surface Si. Le SiO₂ couche avait deux rôles dans l'hétérojonction. Le SiO₂ La couche pourrait fournir une surface de substrat lisse pour la croissance en mode couche 2D du MoS₂ couches. Simultanément, le SiO₂ pourrait améliorer l'interface du MoS₂ /Si en diminuant la diffusion entre les MoS₂ et Si. Par la suite, le MoS₂ les films ont été cultivés sur le SiO₂ -substrats Si tamponnés à la température de 450 °C, respectivement. Pendant le dépôt, la pression du gaz argon et la puissance de travail ont été maintenues à 1,0 Pa et 10,0 W, respectivement. Après la croissance du MoS₂ films, les couches de nanoparticules de Pd avec différentes épaisseurs (1,0, 3,0, 5,0, 10,0, 15,0 et 30,0 nm) ont été pulvérisées in situ et décorées sur le MoS₂ superficie, respectivement. La température de dépôt, la pression de travail et la puissance étaient respectivement de RT (~ 300 K), 3,0 Pa et 10,0 W. Enfin, des pastilles d'indium (In) d'environ 300 μm d'épaisseur et d'un diamètre de 0,5 mm en tant qu'électrodes ont été pressées sur la surface du MoS₂ décoré de Pd. films et le dos de Si comme électrodes, respectivement.

MoS₂ les films ont été caractérisés par spectroscopie Raman (HORIBA, HR800) avec une longueur d'onde d'excitation de 488 nm. La surface de l'échantillon a été caractérisée par un microscope à force atomique (AFM). Les spectres de spectroscopie de photoémission aux rayons X (XPS) ont été réalisés par un spectromètre Kratos Axis ULTRA en utilisant une source de rayons X monochromatique Al Kα (1486,6 eV). La microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) a été réalisée sur un JEOL JEM-2100F. Les spectres de transmission ont été mesurés par le spectrophotomètre Shimadzu UV-3150. La spectroscopie photoélectronique ultraviolette (UPS) a été réalisée à l'aide d'une lampe à décharge gazeuse He-I (21,22 eV) non filtrée.

Par l'exposition des capteurs à différentes concentrations de H₂ dans l'air sec à température ambiante, les propriétés de détection ont été mesurées dans une chambre, où le dispositif de détection est monté et le courant a été enregistré par le compteur source Keithley 2400. Pour la récupération des capteurs, la chambre a été ouverte et de l'air a été rempli dans la chambre.

Résultats et discussion

L'identification chimique du MoS₂ décoré au Pd le film est réalisé par XPS, comme le montre la figure 1. Le spectre d'enquête XPS de l'échantillon est affiché sur la figure 1a. Le spectre se compose de pics Mo, S, Pd et O, ce qui implique une synthèse réussie de MoS₂ avec une petite quantité de carbone résiduel sur le SiO₂ /Si substrat. De plus, le pic de C pourrait être causé par le gaz résiduel pendant le dépôt. Comme le montre la figure 1b, les pics à 163,9 et 162,8 eV correspondent au S 2p_1/2 et 2p_3/2 , respectivement. Le spectre de niveau de base Mo 3d est illustré à la figure 1c. Le Mo 3d_3/2 et 3d_5/2 pics du MoS₂ couche sont situés respectivement à 233,1 et 229,9 eV. De plus, le pic S 2s est apparu à 227,1 eV. Ces résultats sont presque en accord avec d'autres résultats [39, 40], suggérant que le MoS pulvérisé₂ les couches ont une bonne stoechiométrie chimique. Comme le montre la figure 1d, deux pics à 340,9 et 335,5 eV sont attribués à Pd 3d_3/2 et 3d_5/2 , respectivement. Les énergies de liaison sont similaires à celles des métaux Pd [41], démontrant que le MoS à quelques couches₂ est recouvert par la couche métallique de Pd et aucune substitution évidente d'atomes de Mo avec le dopage Pd ne se produit.

un Enquête XPS, b S 2p, c Mo 3d, et d Spectres de niveau de base Pd 3D du MoS₂ décoré de Pd 5 nm couches sur substrat Si

La figure 2a montre les images AFM du MoS à quelques couches₂ . Le MoS₂ la couche a une surface lisse et aucune excroissance évidente n'est observée, démontrant la croissance en mode 2D du MoS₂ film. Selon nos résultats, la rugosité quadratique moyenne (RMS) est d'environ 0,78 nm. Après le dépôt de la couche de décoration Pd de 5 nm, des quantités de nanoparticules sur la surface peuvent être clairement vues, comme le montre la figure 2b. Cela implique la croissance en mode 3D insulaire de la couche de Pd. Le diamètre moyen des nanoparticules de Pd est d'environ 47,7 nm et la rugosité de surface a légèrement augmenté à 0,89 nm en raison du dépôt des nanoparticules de Pd. De plus, la taille des nanoparticules de Pd montre une dépendance évidente de l'épaisseur du dépôt de Pd (Fichier supplémentaire 1 :Figure S1). La figure 2c montre l'image HRTEM en coupe transversale du MoS₂ décoré de Pd couches sur le substrat de Si. La couche Pd et MoS₂ film peut être vu clairement sur la figure. À partir de la figure, un écart évident de ~ 7,2 nm dans la couche de Pd peut être vu, comme indiqué par la flèche rouge sur la figure. Cela suggère que la couche de 5 nm de Pd est discontinue et que de grandes quantités de nanoparticules de Pd sont formées sur le MoS₂ surface. Le MoS pulvérisé₂ le film montre une structure en couches claire avec 2 à 3 couches atomiques de S–Mo–S et la distance entre les couches unitaires est d'environ 0,65 nm, comme le montre l'image HRTEM agrandie de la figure 2d. Afin d'illustrer davantage l'homogénéité, les spectres Raman du MoS à quelques couches₂ sont tirés de quatre régions différentes de l'échantillon, respectivement. Quel que soit l'emplacement, deux modes actifs Raman typiques de MoS₂ peut être vu sur la Fig. 2e, le E ¹ _2g mode à ∼ 381,9 cm ⁻¹ et A_1g mode à ∼ 405,1 cm ⁻¹ . Le E ¹ _2g le mode correspond aux atomes de soufre et de molybdène oscillant en antiphase parallèlement au plan cristallin et au A_1g Le mode correspond aux atomes de soufre oscillant en antiphase hors du plan, comme indiqué dans les encarts de droite. La différence des décalages Raman entre le A_1g et E ¹ _2g , ~ 23,2 cm ⁻¹ reflète le nombre de MoS₂ couches. Cette valeur est supérieure à la monocouche MoS₂ [42,43,44], bien que plus petit que le volume [45,46,47], indiquant la synthèse de quelques couches MoS₂ .

Images AFM du MoS₂ couches a sans décoration Pd, et b avec décoration Pd 5 nm. c Image HRTEM du MoS décoré de Pd₂ couches sur le substrat de Si. La flèche rouge désigne l'écart entre deux nanoparticules de Pd. d Image HRTEM agrandie. e Spectres Raman typiques du MoS tel que cultivé₂ couches sur Si de différentes régions de l'échantillon

Afin de démontrer les caractéristiques de transport du MoS₂ décoré de Pd films, la dépendance de la résistivité (ρ ) sur la température (T ) de différents échantillons cultivés sur 300 nm SiO₂ Les substrats /Si ont été étudiés, comme le montre la figure 3. La figure 3a montre le ρ -T courbe pour le MoS à quelques couches₂ et l'encart montre l'illustration schématique des mesures utilisant la technique de van der Pauw. La résistivité du MoS₂ diminue avec l'augmentation de la température de mesure, ce qui est en accord avec sa nature semi-conductrice. La figure 3b montre le ρ -T courbe de la couche de 5 nm Pd et l'encart montre le ρ -T courbe de la couche de Pd à 10 nm. En raison de la discontinuité, la résistivité de la couche de 5 nm de Pd diminue avec l'augmentation de la température, montrant les caractéristiques du semi-conducteur. Lorsque la couche de Pd augmente jusqu'à 10 nm, la résistivité augmente avec l'augmentation de la température, comme indiqué dans l'encart. Ceci est en accord avec les caractéristiques du métal, impliquant que la couche de Pd devient continue lorsque le Pd augmente de 5 à 10 nm. Lorsque le MoS à quelques couches₂ est décoré par 5-nm Pd, son ρ -T La courbe est représentée sur la figure 3c. Le MoS₂ décoré de Pd Le film présente des caractéristiques semi-conductrices et sa résistivité diminue avec l'augmentation des températures. De plus, la résistivité du MoS₂ décoré de Pd le film mesure environ 1,1 cm. Cette valeur est beaucoup plus petite que celles pour un seul MoS₂ couche et couche de 5 nm Pd, 29,6 et 9,5 cm, respectivement. La forte diminution de la résistivité du MoS₂ décoré de Pd le film doit être induit par la connexion efficace entre la couche de Pd et les quelques couches de MoS₂ à l'interface. La figure 3d montre en outre la dépendance de la résistivité du MoS₂ décoré de Pd film sur l'épaisseur de la couche de Pd (d _Pd ). La résistivité du MoS₂ décoré de Pd films diminue avec l'augmentation de l'épaisseur de Pd, et la forte diminution de la résistivité est observée lorsque d _Pd > 5 nm. Cela signifie que les nanoparticules de Pd discontinues atteignent la couverture maximale à la surface du MoS₂ à quelques couches. quand j _Pd est d'environ 5 nm.

Courbe résistivité-température de différents échantillons cultivés sur 300 nm SiO₂ /Si substrat. un MoS à quelques couches₂ . L'encart montre l'illustration schématique des mesures. b Couche Pd 5 nm. L'encart montre le ρ -T courbe pour la couche de Pd de 10 nm. c MoS₂ décoré de Pd 5 nm couches. d Résistivité du MoS décoré Pd₂ couches en fonction de l'épaisseur de Pd

La figure 4a montre la courbe I-V du MoS₂ décoré de Pd /SiO₂ /Si jonction à température ambiante et d _Pd = 5,0 nm. L'encart montre l'illustration schématique des mesures. D'après la figure, la jonction présente un comportement de redressement évident. La figure 4b montre le spectre UPS du MoS à quelques couches₂ film. La fonction travail (W ) du film est calculé par la différence entre la coupure de l'énergie de liaison la plus élevée et l'énergie photonique du rayonnement d'excitation [48], ~ 5,53 eV. La distance (E _p ) entre la bande de valence (E _V ) et le niveau de Fermi (E _F ) du MoS₂ le film est extrait de l'énergie d'apparition, comme indiqué dans l'encart, ~ 0,48 eV. Du spectre de transmission du MoS₂ film (Fichier supplémentaire 1 :Figure S2), (αhν ) ² est tracé en fonction de l'énergie photonique hν sur la figure 4c, dans laquelle h , ν , et α représentent respectivement la constante de Planck, la fréquence des photons et le coefficient d'absorption [49]. La bande interdite (E _g ) du film est déterminé par l'interception de la ligne sur hν axe, E _g = 1,48 eV. En conséquence, le p -comportement de type pour le MoS tel que développé₂ le film peut être prouvé. Les mesures de Hall montrent en outre que la concentration du porteur de type trou et la mobilité sont d'environ 4,38 × 10 ¹⁵ /cm ³ et 11,3 cm ² /Vs, respectivement. Le p -les caractéristiques de type pourraient être causées par l'adsorption d'autres molécules de gaz [39]. Sur la base des résultats ci-dessus, les diagrammes de bandes d'énergie isolées du MoS à quelques couches₂ film et n -Si sont construits, comme le montre la figure 4d. Dans la figure, W = 4.21 eV, E _g = 1.12 eV, et E _p = 0.92 eV pour n -Si sont utilisés [50]. De plus, le SiO₂ couche comme la couche de passivation de surface du substrat Si est incorporée dans l'interface dans le diagramme de bande d'énergie. Lorsque le MoS₂ décoré de Pd film est déposé sur le substrat Si, les électrons circulent du substrat dans le film à l'interface en raison de la plus grande E _F du Si. Le processus d'écoulement s'arrête lorsque les niveaux de Fermi sont égaux et le MoS décoré de Pd₂ /Si p-n la jonction est fabriquée, comme le montre la figure 4d. En conséquence, un champ électrique intégré (V _bi ) est formé près de l'interface et sa direction pointe du substrat vers le MoS₂ . Ainsi, des caractéristiques asymétriques et des caractéristiques de redressement évidentes peuvent être observées à partir de la courbe I-V de la figure 4a. Dans une hétérojonction semi-conductrice [51], le courant inverse peut être décrit comme

un Caractéristiques I-V du MoS décoré Pd₂ /Si hétérojonction. L'encart montre l'illustration schématique des mesures. b Spectres UPS du MoS₂ couches sur substrat Si. c Courbe de (αhν ) ² contre hν du MoS₂ couches. Le diagramme des bandes d'énergie au MoS₂ /Si interface avant contact (d ) et après contact (e )

où je ₋ , q , k ₀ , et T représentent le courant inverse, la charge électronique, la constante de Boltzmann et la température. Ainsi, les courants du MoS₂ décoré de Pd /Si p-n la jonction peut être modifiée en réglant le champ intégré V _bi .

La figure 5a montre le tracé semi-logarithmique des courbes I-V mesurées du MoS₂ à quelques couches décoré de Pd(5,0 nm) /SiO₂ /Si p-n jonction dans l'air et H₂ pur à RT, respectivement. D'après la figure, évident H₂ les caractéristiques de détection peuvent être observées dans la plage de tension inverse. La sensibilité (S ) de l'appareil est défini comme

un Courbes LgI~V du MoS₂ décoré de Pd /Si hétérojonction. b Je contre t graphiques du MoS décoré de Pd₂ /Si hétérojonction exposée à H₂ pur à − 1,0 V et RT. c , d Bords de réponse et de récupération élargis, respectivement, de la courbe de détection. Le temps de réponse (t _res ) est l'intervalle de temps pour que la réponse passe de 10 à 90 % de la variation totale du courant. Le temps de récupération (t _rec ) est l'intervalle de temps pour la réponse à la décroissance de 90 à 10 % du changement de courant total

où je _H2 et Je _aérien représentent le courant sous H₂ et la climatisation, respectivement. À − 1,0 V, S est calculé, ~ 9.2 × 10 ³ %. Cette valeur est beaucoup plus élevée que le résultat (seulement 35,3 %) du seul MoS₂ à quelques couches décoré de Pd capteur [32]. Comparativement, la sensibilité du MoS à quelques couches₂ /SiO₂ /Si hétérojonction sans décoration Pd et 5 nm Pd/SiO₂ /Si hétérojonction sans le MoS à quelques couches₂ dans nos expériences ne sont que 15 et 133% (Fichier supplémentaire 1 :Figure S3), respectivement. Ainsi, le H₂ les caractéristiques de détection peuvent être considérablement améliorées grâce à la connexion efficace entre les nanoparticules de Pd et le MoS₂ à quelques couches . Lorsque le MoS₂ décoré de Pd est exposé sur H₂ , les nanoparticules de Pd en tant que couche sensible réagissent avec les molécules d'hydrogène et l'hydrure de palladium (PdH_x ) est formé [52]. Par conséquent, de grandes quantités d'électrons sont libérées de la couche de Pd et injectées dans le MoS₂ film, ce qui entraîne que les porteurs de type trou sont compensés et que la concentration de trous diminue. Cela peut provoquer le décalage du niveau de Fermi du MoS₂ film vers la bande de conduction en conséquence et la hauteur de barrière induite par le V _bi au MoS₂ /Si l'interface diminue. Selon l'éq. 2, les courants de jonction augmentent après l'exposition de l'appareil à H₂ . Lorsque l'hétérojonction est biaisée positivement, les caractéristiques de détection sont beaucoup plus faibles que celles de la plage de biais négatif, comme le montre la figure. Dans la plage de tension positive, de grandes quantités d'électrons sont injectées dans le MoS₂ couches du substrat Si. Dans cette condition, les électrons de PdH_x ont peu d'effets sur la concentration électronique du MoS₂ couche. Ainsi, l'hétérojonction présente des caractéristiques de détection non évidentes dans la plage positive. La figure 5b présente le changement de courant reproductible du MoS₂ décoré de Pd /SiO₂ Capteur /Si dans H₂ conditions à − 1,0 V et RT. Lorsque les conditions sont modifiées alternativement entre air et H₂ , deux états de courant distincts pour le capteur sont affichés, l'état de courant « haut » dans l'air et l'état de courant « bas » dans H₂ , respectivement. Comme le montre la figure, les états « haut » et « bas » sont stables et bien réversibles. Les vitesses de réponse et de récupération sont évaluées par les fronts de montée et de descente, respectivement, de la courbe de détection, comme le montrent les Fig. 5c, d. Le temps de réponse (t _res ) est défini comme l'intervalle de temps pour que le courant passe de 10 à 90 % de la variation totale et le temps de récupération (t _rec ) est l'intervalle de temps pendant lequel le courant décroît de 90 à 10 % de la variation totale. A partir des chiffres, la réponse et la récupération de 10,7 et 8,3 s, respectivement, peuvent être estimées. Il convient de noter que la réponse rapide et la récupération du MoS décoré de Pd₂ /SiO₂ Le capteur /Si est l'un des meilleurs résultats obtenus pour le H₂ capteurs à RT [2,3,4,5]. Pendant le processus de détection, le MoS₂ à quelques couches est crucial sur la base des trois aspects suivants :(i) MoS 2D₂ La couche fournit un rapport surface/volume élevé et sert de plate-forme pour la connexion des nanoparticules de Pd, ce qui pourrait promettre au capteur des caractéristiques hautement sensibles à H₂ exposition. (ii) La structure en couches fournit un grand espace de stockage pour les électrons injectés à partir de nanoparticules de Pd. Cela peut améliorer considérablement la sensibilité du capteur fabriqué. En revanche, dans un capteur monocouche en graphène, la sensibilité pourrait être limitée par le faible espace de stockage des porteurs injectés. (iii) Comme le montre la Fig. 2c, d, en raison de ses caractéristiques continues, le MoS₂ couche offre des chemins à grande vitesse pour le transport des porteurs injectés. Ainsi, des vitesses de réponse et de récupération élevées peuvent être atteintes.

La figure 6a montre la réponse dynamique du MoS₂ décoré de Pd /SiO₂ /Si capteur en variant H₂ concentration de 0,5 à 5,0% à − 1,0 V. L'encart montre la courbe de détection agrandie du capteur sur le H₂ concentration de 0,5%. Le capteur présente une réponse significative à chaque H₂ même à la faible concentration de 0,5 %. Forte dépendance de la réponse sur H₂ les niveaux peuvent être vus sur la figure. La figure 6b montre en outre le temps de réponse et de récupération en fonction de H₂ concentration, respectivement. Comme le montre la figure, les deux t _res et t _rec augmenter continuellement en diminuant le H₂ niveaux. Lorsque le H₂ la concentration diminue de 5,0 à 0,5 %, t _res passe de 21,7 à 36,8 s et t _rec passe de 15,5 à 35,3 s. La figure 6c montre la dépendance de la sensibilité du capteur sur H₂ niveaux. Le capteur montre une corrélation quasi linéaire entre sa sensibilité et le H₂ concentration. Lorsque le capteur est exposé à H₂ concentration de 5%, S est d'environ 4,3 × 10 ³ %. En diminuant le H₂ niveau, S diminue progressivement, ce qui est causé par la réduction de la quantité réduite de molécules d'hydrogène absorbées par les nanoparticules de Pd. Sous le H₂ concentration de 0,5%, S diminue à 5.7 × 10 ² %.

un Réponses dynamiques du MoS décoré de Pd₂ /Si hétérojonction sur H₂ conséquent à des concentrations variant de 0,5 à 5 % à − 1,0 V. L'encart montre l'image agrandie des caractéristiques de détection de l'hétérojonction sous H₂ de 0,5%. b Dépendance de t _res et t _rec sur H₂ concentration. c Dépendance de la réponse de détection de l'hétérojonction sur H₂ concentration

L'épaisseur de Pd est un facteur crucial pour contrôler la densité des nanoparticules de Pd et déterminer davantage les performances de détection. La figure 7a–d montre les courbes de détection du MoS₂ décoré de Pd /SiO₂ Capteurs /Si avec différentes épaisseurs de Pd, d _Pd = ~ 1,0, ~ 5,0, ~ 10,0 et ~ 30,0 nm. Comme le montre la figure, chaque capteur présente des caractéristiques de détection évidentes à H₂ . La figure 7e, f montre la sensibilité et le temps de réponse des capteurs en fonction de l'épaisseur de Pd. La figure 7g–i montre l'illustration schématique de la réaction de H₂ sur le MoS₂ décoré de Pd /SiO₂ /Si hétérojonction avec différentes épaisseurs de Pd. Lorsque la couche de Pd est très fine, par exemple 1,0 nm, les particules de Pd sur le MoS à quelques couches₂ ne sont pas clairs (Fichier supplémentaire 1 :Figure S1) et la densité de couverture des nanoparticules de Pd pourrait être très faible, comme le montre la Figure 7g. Dans cette condition, le capteur affiche les caractéristiques de détection à H₂ , cependant, la sensibilité résultante n'est que de 120,7 % et la réponse est relativement lente, environ 58,1 s. Avec l'augmentation de l'épaisseur de Pd, la densité de couverture des nanoparticules de Pd augmente sur les quelques couches MoS₂ surface, comme illustré à la Fig. 7h. De grandes quantités de H₂ les molécules peuvent réagir rapidement avec les nanoparticules de Pd en raison de l'augmentation de la surface de contact et de grandes quantités d'électrons sont libérées dans les quelques couches de MoS₂ . Par conséquent, la sensibilité du capteur augmente progressivement, comme le montre la figure 7e. Quand j _Pd = 5,0 nm, le capteur présente le S maximum valeur de ~ 9.2 × 10 ³ % avec une réponse rapide de 10,7 s. Ainsi, les caractéristiques de détection améliorées peuvent être attribuées à la couverture accrue des nanoparticules de Pd. Cependant, lorsque l'épaisseur de Pd augmente encore, la sensibilité du capteur diminue. Dans une couche épaisse de Pd, telle que d _Pd = 30,0 nm, la couche de Pd devient continue et la quantité de nanoparticules de Pd diminue largement, comme le montre le fichier supplémentaire 1 :Figure S1. Cela se traduit par la diminution de la zone de contact entre la surface de l'appareil et H₂ ambiant , entraînant une diminution de la sensibilité. Quand j _Pd = 30,0 nm, S = 1,5 × 10 ³ %. D'après la figure 7c, d, accumulation de charges évidente que le I _aérien et Je _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 –i Schematic illustration of the reaction of H₂ on the Pd-decorated MoS₂ /Si heterojunction with different Pd thickness

Conclusions

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.

Abréviations

AFM :

Microscope à force atomique

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 et 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