摘要
氨气(NH3)是一种在空气污染中对人类危害极大的气体。氨气会严重刺激人类的呼吸道，可引发患者呕吐、头痛、肺水肿甚至死亡。所以开发快速准确检测微量NH3的气体传感器迫在眉睫。传统的金属氧化物(MOS)NH3传感器因需要在高温环境下工作而无法得到广泛应用。近年来，二硫化锡(SnS2)凭借类石墨烯结构，更高的电负性和较窄的带隙等众多优异的性质，成为了NH3传感领域炙手可热的研究目标。但是，片层状SnS2由于范德华作用力易于堆叠，极大地限制了其性能的发挥。构筑高度分散的花状SnS2，是拓展SnS2实际应用的举措。为了进一步激活占比较大的非活性基面，需要构建大量的S空位获得更多活性吸附位点，以此来提升材料的吸附能力。由于纯SnS2对NH3的各项传感性能依然不理想，需要进一步优化。因此，本课题从制备方法、缺陷调控、结构复合三个层面出发，依次开展了提升SnS2氨气气敏传感性能的研究工作。主要工作如下: (1)通过一步溶剂热法，分别以硫脲和硫代乙酰胺（TAA）为硫源，制备出不同花状形貌的SnS2纳米材料。通过各项表征测试，确定制备得到的SnS2材料都与XRD标准衍射卡片相对应，半导体类型都为n型半导体，并且相较硫脲，以TAA为硫源制备的SnS2其Raman峰值提升了约37％，EDS结果显示S与Sn的原子摩尔比为2.03，证明材料的纯度、结晶性更好。通过简单的气敏测试，发现TAA组的SnS2对NH3的响应值较硫脲组提升了2倍。 (2)边缘结构上的活性位点毕竟有限，为了提高占比较大的非活性基面对NH3的吸附，通过快速氩气(Ar)等离子处理花状SnS2纳米片，通过分组控制辐照时间来调制SnS2纳米片基面上的硫空位缺陷，确定最佳调控时间。通过表征分析得出，经等离子处理4s后的SnS2材料，物相与XRD标准衍射卡片相对应，其Raman峰值提升了约87％，S与Sn的原子摩尔比为1.81，证明材料的纯度、结晶性更好的同时产生了大量硫空位缺陷。BET分析得出比表面积较原来增大了30％，孔径也增大了3％，这为NH3气体分子的吸收提供了有利条件。研究发现，经过Ar等离子处理4s后的SnS2在125℃下测试20ppm浓度NH3时，响应值高达7.4，并且材料对NH3拥有优异的选择性，响应值和选择性都较原材料提升了两倍，响应恢复时间分别为137s/176s。在此基础上，通过密度泛函理论对比了材料分波态密度、电子能带结构、差分电荷密度以及吸附能计算，详细解释了含S空位缺陷促使SnS2气敏性能更优异的原因。 (3)为了进一步提高SnS2对NH3的气敏特性，通过两步溶剂热法构筑了SnS2/MoS2/GO三重异质结构。根据表征和气敏测试对SnS2/MoS2/GO的形貌结构进行分析。研究表明，SnS2/MoS2/GO异质结构通过分散杂质与电子，解除了电子迁移过程中碰撞杂质的可能，这种特殊的结构可以明显改善材料的传导性能，提高材料的电荷迁移率。因此SnS2/MoS2/GO异质结构可以显著降低气敏传感过程中材料的电阻值及对NH3的响应恢复时间，响应恢复时间可以达到40s/47s。相较纯SnS2响应恢复时间优化了约四倍，并拥有对NH3良好的选择性，选择性较纯SnS2提升了两倍。通过构筑异质结构，为设计具有高速响应恢复特性的LMDs半导体传感材料开辟了更多新的思路。
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