氨是一种主要的空气污染物,来源于含氮作物的种植、工业废水排放和车辆尾气排放[1]。长期暴露于氨气可能导致呼吸系统疾病,在极端情况下甚至会导致呼吸衰竭[2]。因此,准确检测有毒气体受到了广泛关注。在这方面,高性能NH3气体传感器的开发对于大气环境监测和人类健康监测具有重要意义。氨气传感器的发展始于早期的化学吸收和物理检测方法。前者基于氨与酚酞、奈斯勒试剂或其他特定试剂之间的颜色反应进行定性或半定量分析;后者则利用氨的物理或化学性质(如腐蚀性、导热性)实现间接测量[3],[4]。尽管这些方法为氨气检测提供了初步手段,但精度有限且操作复杂,难以满足实时检测的需求。
为了满足检测需求,氨气传感器技术应运而生。基于化学阻变原理的氨气传感器因其结构简单而被广泛应用。氨分子在半导体表面的吸附和解吸会引发导电性的变化,从而实现定量检测。金属氧化物半导体(MOSs)是主要的氨气敏感材料之一。然而,MOSs的工作温度较高,限制了其在可穿戴和柔性传感场景中的应用[5],[6]。过渡金属硫属化合物(TMDs)属于二维材料家族,在室温下表现出良好的氨气响应性能。其高比表面积、层状结构、优异的导电性和丰富的活性位点使其成为理想的氨气敏感材料。此外,层状结构通过调节、改性或复合处理可进一步提升其传感性能[5]。然而,TMDs的多层结构也带来了一些限制,例如由于层间范德华力的存在,解吸过程延迟,导致恢复时间延长,从而影响对气体浓度动态变化的实时响应[7]。氨气传感器的应用范围正在扩展到农业、畜牧业、食品储存和医疗领域[8],[9],[10],[11],[12]。已有大量研究致力于改进TMDs基氨气传感器的传感性能并阐明其传感机制。构建少层/单层结构以减少层间吸附、引入表面缺陷或异质界面以增强气体分子吸附-解吸动力学,以及设计掺杂或复合系统以优化电荷转移效率,已被证明是提升氨气传感效果的有效方法。
虽然已有关于TMDs基气体传感器[7]和氨气传感器[13]的综述,但尚未有专门针对TMDs基氨气传感器的综述。本文将系统地总结并深入讨论TMDs基氨气传感器的研究进展,包括传感材料的发展、光辅助增强机制、研究趋势、应用领域以及传感机制的研究。最后部分还探讨了面临的挑战和未来发展方向(图1)。