青岛大学张军团队Matter：基于3D-2D混合维度异质结用于超快光电气体传感器

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青岛大学张军团队Matter：基于3D-2D混合维度异质结用于超快光电气体传感器

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澎湃

https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_30291484

青岛大学张军教授团队在Matter期刊上发表了一项关于超快光电气体传感器的研究成果。该团队开发了一种基于3D-2D混合维度异质结的传感器，该传感器对NO2和NH3具有快速响应和高灵敏度的特点。

2025年2月5日，青岛大学张军教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Matter发表了一篇题为“Mixed-dimensional heterojunction by 3D CdS nanowire arrays bridged with 2D WSe2 for ultrafast photoelectric gas sensor”的研究成果。研究报道了一种创新的二维/三维范德华（vdW）异质结结构，通过化学气相沉积生长的CdS纳米线阵列和WSe2纳米片构成。在这种结构中，纳米线阵列既充当电极材料，又充当传感层。论文得到了国家自然科学基金的资助，以及德国洪堡大学和合作支持。

研究亮点

由三维CdS纳米线阵列和二维WSe2组成的CdS/WSe2/CdS混合维度异质结
该异质结光电气体传感器对NO2和NH3具有双功能探测能力
该传感器在室温条件下对NO2具有快速响应和1s内恢复的特性，得益于材料内部快速的气体流通和界面处快速的电荷转移

研究简介

低维纳米结构，如二维材料广泛用于气体传感器，但由于敏感层结构紧凑，传感器在室温下灵敏度较低，响应和恢复速率较慢。基于低维纳米单元构筑的德华异质结，不仅耦合了多种材料的物化特性，还具有独特的界面电子性质。作为一种替代方案，由1D纳米线（NW）组成的3D阵列与2D材料耦合制成的器件结构能有效解决这一问题。

在本文中，青岛大学张军教授团队报道了一种创新的二维/三维范德华（vdW）异质结结构，通过化学气相沉积生长的CdS纳米线阵列和WSe2纳米片构成。在这种结构中，纳米线阵列既充当电极材料，又充当传感层。结构内部丰富的空间有利于气体分子的扩散，从而提高了传感器的性能。在紫外光照射下，该异质结传感器对NO2和NH3具有高度选择性和可逆性，检测限分别为60和54ppb。值得注意的是，该传感器对1ppm NO2和NH3的响应时间小于1秒，优于大多数先前的报告。本文提出的混合维度结构设计将为多维度电子器件集成提供新的思路，为高灵敏低功耗气体传感器开发提供借鉴。

图1 CdS纳米线阵列的图案化生长以及表征

图2 CdS/WSe2/CdS异质结制备过程以及相关表征

图3 CdS/WSe2/CdS异质结传感器对NO2的气敏性能

图4 CdS/WSe2/CdS异质结传感器对NH3的气敏性能

图5 异质结光电气体传感器的工作机理

鉴于这种优异的性能归功于接触势垒调节、光电效应和混合维度材料接触模式的结合。该项工作拓宽了2D薄膜材料室温传感器的应用范围，为基于2D/3D混合维度结构制造快速、高灵敏度的电子传感器开辟了一条新途径。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请张军教授进行了专访，请他为大家进一步解读。

CellPress：研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

张军教授：本研究的一个核心问题是三维CdS纳米线阵列化与2D WSe2形成平面异质结构，想要使2D材料完美的转移到CdS材料的沟道内，且保证器件正常工作，这个过程中材料转移和异质结的搭建非常困难。为了解决上述困难，首先2D WSe2材料需要少层，单层太容易破损；其次要在溶液中完成转移，溶液的表面张力需要适度调节，在这过程需要进行了大量实验，从大量器件样品中筛选出结构完整且性能优良的器件。

CellPress：团队下一步的研究计划是怎样的？

张军教授：首先，我们期望依托于混维结构的异质结系统，对材料进行特殊官能团修饰，通过官能团结构的改变，拓展传感器的气体识别范围，以实现多组分分析物的同时检测，如甲醛、丙酮、醇类等VOCs气体。其次，我们计划在未来研究中将聚焦于器件的集成，并通过大样本数据采集、智能算法和机器学习，最大程度的正确表达传感器的性能，优化复杂环境下传感器的选择性和识别能力。后续，我们团队将持续关注相关的前沿工作，为室温低功耗高灵敏气体传感器的研究贡献力量。

CellPress：请与我们分享一下选择Matter来发表这项工作的原因。

张军教授：Matter是Cell Press细胞出版社继Chem，Joule之后推出的材料类旗舰刊物，与Cell，Chem和Joule互为姊妹刊。聚焦各领域内的优秀先进材料的原理性研究及应用研究，旨在推进材料学在多个学科领域内的发展，推动先进材料的实用化发展进程。我们的研究内容涉及二维材料异质结在气体探测中的应用，属于材料科学、化学和工程学等多个交叉领域。而Matter关注前沿材料科学和化学研究，尤其是与表界面关系、高性能传感器设计以及纳米材料应用相关的内容，与我们的研究方向高度契合。同时，Matter拥有高质量的发表平台和快速审稿流程，拥有高度认可的学术影响力，可以让我们的研究快速达到更广泛的读者群体。