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美海军研究实验室证实,新相位变化机制能够带来化学气体传感器新类型

美国海军研究实验室(NRL)的一个多学科科学家组成的研究团队演示证实,单层二维过渡金属硫化物(TMD)在暴露于空气化学蒸汽时会经历从半导体到金属相的转变,包括光和电的变化。该种转变可用于制造全新化学气体传感器类型,具有比现有先进型传感器对特定神经药剂和爆炸化合物的更高的敏感性和选择性,而这些是当前战场上的重要关注点。

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上图为NRL的跨学科科学家团队。后排从左到右是物理学家Aubrey Hanbicki博士、Paul Campbell博士、Adam Friedman博士和Jim Culbertson博士。前排是化学家Glenn Jernigan博士和电子研究工程师Keith Perkins博士 


研究背景

从2004-2005年可从体材料上分离而出单层薄膜TMD之日起,这些材料持续展现出新的和令人印象深刻的行为和特性。单层TMD在技术方面提供超过现有材料的潜在优势,可为实现廉价、柔性、高性能、利用其独特表面主导功能的器件铺平道路。

 

研究缘由

NRL材料科学和技术分部物理学家Adam L. Friedman博士说:“这些材料对于气体传感应用具有非常巨大的前景,因为其材料自身固有的几个原子厚度的特性显著提升了敏感性,即使是面对最小的表面干扰物。除了来自基础研究最直接的兴趣外,因为该产生TMD相变的特定方法此前并未观察或探索过,它在新型基于相位、多功能化学气体传感器中有巨大应用潜力。”

 

原理

单层TMD化学符号简写为MX2,M是过渡金属,X是硫族元素,包括绝缘体、半导体、金属和其他类型材料,包含了一系列在其体材料中观察不到的特性。特定薄膜通过电荷转移过程可对包括神经药剂在内的一类分析物做出有选择性地反馈。显微定量的分析物放置在TMD的表面,扮演一个电子供体的角色,能够以可测量的方式影响薄膜的导电性。

 

核心进展

NRL团队假定,某种强电子供体化学分析物,如那些与感知某种神经药剂和爆炸物相关的分析物,可提供给TMD提供足够的电荷转移来获取相位变化。为了证实他们的假设,研究人员将单层TMD暴露到强电子供体化学气体分析物中,并监控他们的导电性和光反应。他们发现,器件的导电性反馈在适度暴露后停止了,整个导电性能幅度在该时间点上显著大幅增加,意味着发生相变。光电反馈同样证实了相变。

 

Friedman博士说,“我们集成了非常庞大的数据集,包括多种方法来测量这些类型薄膜,并总结出我们观察到的行为并不是掺杂,而是因为在TMD薄膜上发生了部分和局部的相位变化,在这些区域轻微吸收了的分析物将电荷转移至了晶体。”

 

应用和意义

该新发现开启了研制低功耗、柔性、多功能化学气体传感器器件的新可能。如果相变能够直接用于感知强电子供体分析物,它将产生全新的化学气体感知类型,将允许在同一设备中,或结合无源光电测量,或单独使用有源导电性测量来识别分析物气体,能够作为一个新运行机制方法来识别化学混合物和所存在的危险气体。

 

此前关于无扩散相变的同类研究达到纳秒尺度的速度,此次所预期的器件同样很快,超过现有探测速度。因为每个TMD材料进行相变所需电荷数量不同,一系列并行感知TMD材料将允许探测各种强度电子供体/受体,以及确定所需的冗余度以减少错误。由于研究成果的低空间要求和成本,这些传感器可容易地与现有传感器组合来为现有国防部平台产生更多样的设备。

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