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通过与分子氢的相互作用探测单层MOS $ _2 $的电子特性
Probing the Electronic Properties of Monolayer MoS$_2$ via Interaction with Molecular Hydrogen
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论文摘要
这项工作对分子氢（H $ _2 $）与单层MOS $ _2 $ field效应晶体管（MOS $ _2 $ FET）之间的相互作用进行了详细的实验研究，旨在传感应用。 MOS $ _2 $ FET表现出对H $ _2 $的反应，该响应涵盖了相对较低的工作温度范围（300-473 K）的浓度范围（0.1-90％）。最重要的是，基于MOS $ _2 $ FET的H $ _2 $传感器显示出理想的特性，例如完全可逆性和缺乏催化金属掺杂剂（PT或PD）。实验结果表明，由于可逆的电荷传输过程，MOS $ _2 $单调的电导率单调增加，这是H $ _2 $浓度的函数。有人提出，这种过程涉及由与MOS $ _2 $ Surface（VS）中的硫磺空位相互作用驱动的解离h $ _2 $吸附。该描述与有关H $ _2 $吸附在MOS $ _2 $上的相关密度功能理论研究一致。最后，使用沉积氧化铝的原子层进行部分缺陷papsivivivevivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivivive的MOS $ _2 $ FET的测量值包括一个实验指示，即VS在与MOS $ _2 $的H $ _2 $相互作用中起着重要作用。这些发现为单层MOS $ _2 $和H $ _2 $之间的催化过程中的期货应用提供了见解，并将MOS $ _2 $ FET作为有希望的H $ _2 $传感器。
This work presents a detailed experimental investigation of the interaction between molecular hydrogen (H$_2$) and monolayer MoS$_2$ field effect transistors (MoS$_2$ FET), aiming for sensing application. The MoS$_2$ FET exhibits a response to H$_2$ that covers a broad range of concentration (0.1 - 90%) at a relatively low operating temperature range (300-473 K). Most important, H$_2$ sensors based on MoS$_2$ FETs show desirable properties such as full reversibility and absence of catalytic metal dopants (Pt or Pd). The experimental results indicate that the conductivity of MoS$_2$ monotonically increases as a function of the H$_2$ concentration due to a reversible charge transferring process. It is proposed that such process involves dissociative H$_2$ adsorption driven by interaction with sulfur vacancies in the MoS$_2$ surface (VS). This description is in agreement with related density functional theory studies about H$_2$ adsorption on MoS$_2$. Finally, measurements on partially defect-passivated MoS$_2$ FETs using atomic layer deposited aluminum oxide consist of an experimental indication that the VS plays an important role in the H$_2$ interaction with the MoS$_2$. These findings provide insights for futures applications in catalytic process between monolayer MoS$_2$ and H$_2$ and also introduce MoS$_2$ FETs as promising H$_2$ sensors.
