基于单材料锡磷化合物逻辑结的气体传感器检测氮氧化物介绍

工业生产和交通运输正在不断增加环境中有害气体的含量，特别是氮氧化物（NOx）。随着人们对室内空气质量监控设备、医疗保健设备和气体泄漏检测设备的需求日益增加，高灵敏度有害气体传感器的开发受到广泛关注。

二维（2D）材料因其高表面体积比，以及通过掺杂和功能化调节电子特性的出色能力，被证明是基于半导体的气体传感器非常有前景的候选材料。然而，由于金属电极与二维材料接触界面存在肖特基势垒（SB），在半导体通道-电极界面上的大量电流耗散通常会对半导体电子器件的实现造成很大的阻碍，这成为二维材料逻辑结（logical junction）大规模应用的主要瓶颈。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自德国不来梅雅各布大学（Jacobs University Bremen）、奥尔登堡大学（Carl von Ossietzky University of Oldenburg）、亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）以及韩国科学技术研究院（KIST）的研究人员共同提出一种基于单材料锡磷化合物（SnP3）逻辑结的电子指纹NOx传感器，克服了半导体通道-电极界面产生的高肖特基势垒等问题。

该项工作将为设计用于高灵敏度气体传感器的无肖特基势垒金属-半导体结提供新的途径。相关研究成果已发表于npj Computational Materials期刊。

该项工作中，研究人员基于SnP3可用于新型单材料逻辑结的理论思路，解决了常见的“高接触电阻”问题及其器件应用，并基于单材料逻辑结内电子指纹识别机制，对NOx气体传感器开展了分步设计和研究。

研究人员通过一套第一性原理电子结构计算，探索了基于SnP3的单材料逻辑结对有害NOx气体的出色传感性能。基于三层/单层SnP3的金属/半导体特性，设计了由单一材料构成的金属-半导体-金属横向结（313结）作为传感平台。由于半导体通道-电极界面没有肖特基势垒，基于电流-电压特性，可以精确检测到SnP3层与气体分子之间的气体特异性电荷转移。

无论电流的绝对大小，或在一个相当小的偏置电压下以负差分电阻（NDR）作为传感信号，该方式都能够有效检测到在SnP3衬底上具有强吸附强度和电荷转移量的NOx气体。

单层和少层SnP3的晶体结构、电子能带结构和传输特性
 

SnP3衬底上气体分子最稳定的构型和电荷密度差异
 

313结所有气体分子的零偏传输和I-V曲线

该项工作将为研究气体传感器以及基于二维材料的电子器件的科研人员提供新的思路。同时，有望推动无肖特基势垒单材料逻辑结的广泛适用性。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41524-022-00903-7

审核编辑：编辑：刘清