Adv. Mater.：超灵敏的薄层MoS2压力感测器

【引言】

压力传感器在许多领域都有着相当重要的用途，例如汽车、飞行器、钻井业及医疗设备等。目前，微型光纤Fabry–Perot（F-P）传感器因其抗电磁干扰性好、响应快速及可遥感性引起很多科学家的研究兴趣。F-P传感器通常通过附上一薄且灵敏的膜片于分裂的光纤一端，形成一个非本征的F-P干涉结构。而最主要的便是选择合适的材料用于此类薄膜，超薄且机械强度高对于实现F-P的高灵敏性非常重要。

目前为止，F-P传感器的膜片材料有二氧化硅膜、聚合物膜及金属膜（如Ag），但这类材料的厚度通常在100nm到毫米尺度，灵敏度也不高。因此，要提高F-P传感器的性能，打破目前的限制，就需要利用传统加工工艺获得超薄的膜片。

【成果简介】

北航的李成、宾夕法尼亚大学的Mauricio Terrones和清华的吕瑞涛（共同通讯作者）等人通过两步法（包括金属的电子束蒸镀及随后的大气压下的硫化过程）获得了厚度可调的薄层MoS₂薄膜。MoS₂薄膜也是近年来研究不断深入的材料，其特性可用于光伏领域、析氢反应电极及光电极等领域。而此前主要是限于难以利用有效的方法制备大面积2D尺度的MoS₂薄膜。通过两步法，研究团队制备的MoS₂薄膜了提高F-P传感器的性能，传感器表现出极高灵敏度（89.3nm Pa^-1）近于同步的压力偏转响应，这较传统的膜片材料（二氧化硅、Ag薄膜等）的性能要高至少3个数量级。这类F-P传感器将为2D材料应用于生物医学和环境等领域扩宽新渠道。

【图文导读】

图一、MoS2薄膜的制备与表征

(a) 大面积MoS₂薄膜的生长与转移示意图

(b-e) 2nm-D MoS₂薄膜的(b) 光学显微，(c) AFM，(d,e)TEM图，(d)的内嵌图为SAED花样图。

图二、F-P传感器的组装与表征

(a) F-P传感器的工作机制示意图

(b) F-P传感器的照片。内嵌图表示了将2nm-D MoS₂薄膜转移至F-P空腔的一端

(c) 3D AFM图像。(b)和(c)箭头所指表示的是AFM探针扫描方向

(d) 覆盖于2nm-D MoS₂薄膜下的陶瓷插芯的低倍率SEM图，不同的颜色表现出不同的成分，深黄色区域为MoS₂薄膜

(e) (d)图所选区域的高倍SEM图

图三、对F-P传感器性能进行测试

(a) F-P传感器测试系统的示意图

(b-c) 11 kHz下，比较参比传感器(b)和2nm-D F-P传感器的输出电压及相关的正弦曲线。

(d) 进行拟合，获得参比传感器与F-P传感器输出电压的关系

图四、F-P传感器性能灵敏性相关测试

(a) 5V，不同频率下F-P传感器的输出电压

(b) 11kHz下，不同声压下F-P传感器的输出电压

(c-d) 不同声压下，(c) 2nm-D MoS₂和(d) 5nm-D MoS₂膜片的变形量。实验结果得到很好的线性拟合

(e) 比较不同膜片材料的灵敏性。

【小结】

通过两步法合成出具不同厚度的薄层MoS₂薄膜，成分和结构也都非常均一。将其转移至陶瓷插芯的一端就可得到高性能的F-P传感器，并表现出高灵敏性。研究结果为2D材料应用开辟了新道路，同时也会推进可用于远程低压检测、苛刻的太空环境等的高灵敏传感器的制备。

文献链接：Ultrasensitive Pressure Detection of Few-Layer MoS2（Adv. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201603266）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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