工業生產和交通運輸正在不斷增加環境中有害氣體的含量，特別是氮氧化物（NOx）。隨著人們對室內空氣質量監控設備、醫療保健設備和氣體泄漏檢測設備的需求日益增加，高靈敏度有害氣體傳感器的開發受到廣泛關注。

二維（2D）材料因其高表面體積比，以及通過摻雜和功能化調節電子特性的出色能力，被證明是基于半導體的氣體傳感器非常有前景的候選材料。然而，由于金屬電極與二維材料接觸界面存在肖特基勢壘（SB），在半導體通道-電極界面上的大量電流耗散通常會對半導體電子器件的實現造成很大的阻礙，這成為二維材料邏輯結（logical junction）大規模應用的主要瓶頸。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自德國不來梅雅各布大學（Jacobs University Bremen）、奧爾登堡大學（Carl von Ossietzky University of Oldenburg）、亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（HZDR）以及韓國科學技術研究院（KIST）的研究人員共同提出一種基于單材料錫磷化合物（SnP3）邏輯結的電子指紋NOx傳感器，克服了半導體通道-電極界面產生的高肖特基勢壘等問題。

該項工作將為設計用于高靈敏度氣體傳感器的無肖特基勢壘金屬-半導體結提供新的途徑。相關研究成果已發表于npj Computational Materials期刊。

該項工作中，研究人員基于SnP3可用于新型單材料邏輯結的理論思路，解決了常見的“高接觸電阻”問題及其器件應用，并基于單材料邏輯結內電子指紋識別機制，對NOx氣體傳感器開展了分步設計和研究。

研究人員通過一套第一性原理電子結構計算，探索了基于SnP3的單材料邏輯結對有害NOx氣體的出色傳感性能。基于三層/單層SnP3的金屬/半導體特性，設計了由單一材料構成的金屬-半導體-金屬橫向結（313結）作為傳感平臺。由于半導體通道-電極界面沒有肖特基勢壘，基于電流-電壓特性，可以精確檢測到SnP3層與氣體分子之間的氣體特異性電荷轉移。

無論電流的絕對大小，或在一個相當小的偏置電壓下以負差分電阻（NDR）作為傳感信號，該方式都能夠有效檢測到在SnP3襯底上具有強吸附強度和電荷轉移量的NOx氣體。

單層和少層SnP3的晶體結構、電子能帶結構和傳輸特性
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SnP3襯底上氣體分子最穩定的構型和電荷密度差異
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313結所有氣體分子的零偏傳輸和I-V曲線

該項工作將為研究氣體傳感器以及基于二維材料的電子器件的科研人員提供新的思路。同時，有望推動無肖特基勢壘單材料邏輯結的廣泛適用性。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41524-022-00903-7

審核編輯：編輯：劉清