环境污染成为当今社会发展日益凸显的问题，对大气环境中有害气体的监控越来越重要，迫切需要研制和发展性能优异的气敏传感材料与器件。IV-VI族二维层状金属硫化物半导体，以SnS2为代表，具备适合的禁带宽度、低廉的价格成本和环保无害的特质，且其电子结构可通过层数、成分等进行大范围调制，气体吸附过程在低温下即可发生，是半导体电阻式气敏元件极具潜力的候选材料之一。研究人员通过一步水热合成了Mo掺杂SnS2纳米片，开展了其对NO2气体的低温传感性能研究，发现了反常的p-n传感类型转变现象，为NO2气体的选择性识别提供了新型实现途径（Chemical Engineering Journal, 2021, 420, 127572；西安交大金属材料强度国家重点实验室为唯一通讯作者单位）。然而，基于水热还原法所制备出的SnS2 纳米结构通常含低价Sn2+，并而伴生出一定的S空位。对于NO2传感反应，路易斯酸性的硫空位将不利于酸性NO2气体在SnS2表面的吸附。因此，如何有效抑制SnS2中低价的Sn2+及其表面路易斯酸性，是相应SnS2高性能NO2传感器设计所需克服的关键科学问题。
近日，材料学院戴正飞特聘研究员与南京理工大学曾海波教授针对上述问题开展合作研究，通过一步溶剂热法在黑磷纳米片上原位生长出SnS2纳米片，构建了新型2D-2D黑磷/SnS2 P-N异质结，并将之首次用于高效NO2气体传感应用。在SnS2/BP复合结构中，p型BP具有高氧化性的空穴，可将低价Sn2+氧化为Sn4+，从而可抑制Lewis酸性较强的S空位形成。X射线光电子能谱证实了异质结对低价Sn2+的抑制；同时，研究人员创新性地结合电化学催化分析技术，考察了其在酸性介质下的扩散双电层电容，验证了复合结构对其表面Lewis酸度的抑制作用。基于离子价态和路易斯酸度调控，SnS2/BP异质结传感器能够在室温下检测到100 ppb级痕量NO2，其响应及回复速度快、性能稳定且选择性高。科研人员结合第一性原理计算和原位Raman光谱研究，进一步揭示了其化学吸附增强机理。本研究工作为高性能半导体NO2气敏器件的设计提供了新思路。
研究成果以“Suppression of Sn2+ and Lewis acidity in SnS2/black phosphorus heterostructure for ppb-level room temperature NO2 gas sensor”为题在国产旗舰综合性期刊Science Bulletin上在线发表。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文第一作者单位和第一通讯单位，西安交大材料学院博士生/梁婷婷为论文第一作者，戴正飞研究员和曾海波教授为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.07.007