近年来，二维材料因其具有极高的比表面积、优异的电学特性以及敏感的界面效应，在气体传感器领域展现出巨大的应用潜力。在氢气传感器领域，电阻型传感器凭借其简单的结构、易于集成的优势成为主流研究方向。然而，传统的电阻型氢气传感器受限于较高的本底载流子浓度、欠佳的界面电荷转移效率以及器件接触电阻等问题，目前已报到的基于二维材料的氢气传感器的检测极限仍停留在ppm量级，并未充分发挥其理论灵敏度。

基于上述研究背景，华中科技大学物理学院研究团队成功构建了一种基于Pd纳米颗粒修饰WSe₂的电阻型超灵敏氢气传感器。该传感器展现出了优异的氢气响应性能，其在1000 ppm氢气浓度下的响应度高达628%，检测限低至10 ppb。在65°C的最佳工作温度下，该传感器对10 ppb的极低氢气浓度依然可以保持约3.8%的高响应度。此外，得益于WSe₂器件的低本底载流子浓度、优化的欧姆接触以及洁净的Pd/WSe₂界面电荷转移，该传感器首次实现了ppb量级的基于二维材料的氢气检测极限。结合器件优异的选择性、稳定性以及CMOS工艺兼容性，基于Pd-WSe₂的电阻型超灵敏氢气传感器有望在超低浓度氢气检测场景中发挥关键作用。

图1 WSe₂器件的结构示意图及电学表征

该器件的电学特性优化是实现高性能气体传感器的先决条件，图1系统地表征了WSe₂器件的关键电学性能优化的结果。通过采用选择性等离子掺杂技术，在电极接触区域实现了优异的n型欧姆接触，并且同时保持了沟道区域的特性，其中WSe₂的霍尔效应测试曲线呈现出线性关系，并且结合计算表明其本征载流子浓度低至1.2×10¹⁷ cm⁻³，其为降低传感器噪声奠定了材料基础。

器件的AFM图像表明制备工艺避免了光刻胶的残留从而形成了洁净的Pd/WSe₂界面。器件的电学测试结果表明，器件表现出典型的n型场效应特性，其电流开关比超过了10⁴，输出特性曲线在零栅压下呈现出良好的线性与对称性，结果表明了该器件的接触电阻远低于沟道电阻。通过对不同厚度器件的研究发现载流子迁移率随厚度增加呈现先升高后降低的趋势，并在约25 nm的厚度处获得超过90 cm²V⁻¹s⁻¹的峰值迁移率，这一优化为后续高性能气体传感器的实现奠定了重要基础。

图2 Pd修饰WSe₂器件的结构、电学特性变化、能带结构与电荷转移机理及气敏响应优化

Pd修饰界面的调控是实现高灵敏氢气探测的关键步骤。图2深入探讨了Pd纳米颗粒修饰对WSe₂器件电学特性的调控机制。表征结果表明，Pd修饰引发阈值电压正向偏移及开态电流的显著降低，这源于Pd与WSe₂之间的功函数差异导致的界面电荷重排，使WSe₂呈现深度耗尽状态。能带结构进一步揭示了界面处的电阻转移路径。表面形貌研究证实Pd以离散纳米颗粒的形态均匀分布在WSe₂表面，形成了洁净的金属-半导体界面，为后续氢气探测提供了理想的电荷转移通道。随后对Pd厚度进行了优化，结果表明1 nm厚Pd沉积所形成的离散纳米颗粒形貌有效增大了比表面积，为氢吸附和电荷转移提供了理想界面，并且氢气响应度的最大值为温度为65℃的条件下。

图3 基于Pd修饰WSe₂的气体传感器对氢气的检测性能，包括灵敏度、选择性、稳定性和抗湿性

氢气响应性能是衡量该传感器实用化的关键指标，图3系统展示了Pd修饰WSe₂的氢气传感器在最优条件下的总和性能。该器件在10 ppb至1000 ppm的宽浓度范围内均表现出可逆的氢气响应性能，其中对1000 ppm的氢气响应度达到了628%，并且实现了低至10 ppb的检测极限。在气体选择性响应方面，该传感器对2500 ppm的一氧化碳、乙醇和甲烷等常见干扰气体的响应可以忽略不计，展现出了对氢气响应优异的选择性。器件的稳定性测试结果表明，该器件在100 ppm的氢气浓度下经过40次循环测试后依然能够保持初始响应度的95%以上。此外，在15%-80%的相对湿度范围内，该传感器维持稳定的响应特性，展示除了良好的环境适应性。

图4 对比了基于不同二维材料的氢气传感器的检测限、对特定浓度氢气的响应及其工作温度

性能对比分析是评估氢气传感器性能的重要手段，图4通过对器件性能进行对比分析，凸显了本研究取得的突破性进展。该传感器在检测极限性能上相较现有基于二维材料的氢气传感器降低了一个数量级，达到了10 ppb的领先水平；同时在1000 ppm的氢气浓度下实现了628%的响应度，创造了该类型传感器领域的新纪录。并且，该传感器的性能指标可与传统基于金属氧化物半导体（MOS）的氢气传感器的最佳报道值相媲美，显示出二维材料在气体传感领域具有巨大的潜力。

总结而言，本研究通过对二维材料的选择、界面工程和工艺优化等多维度创新，成功研制出了具有超高灵敏度和气体选择性的Pd修饰WSe₂氢气传感器。该氢气传感器在检测器件、响应速度、稳定性和选择性方面展现出了综合优势，为二维材料在超低浓度气体检测领域的实际领域奠定了坚实基础，特别是在安全监测等尖端领域具有广阔的应用前景。

相关论文发表在Adv. Compos. Hybrid Mater.期刊上，华中科技大学博士研究生何鑫，武汉理工大学袁俊辉与湖南师范大学李谦为文章的共同第一作者，华中科技大学张有为副研究员和兰州大学张泽民研究员为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s42114-025-01447-2