快速、高效的污染物檢測技術一直是環境分析領域的研究重點。場效應晶體管傳感器具有快速、靈敏和原位檢測等優點，逐漸應用于化學和生物傳感領域并在環境分析的前沿研究中得到關注。二維過渡金屬硫化物以其獨特的結構和電學性能被視為晶體管傳感器件理想的通道材料，近年來在晶體管傳感器和環境分析中得到廣泛和深入的研究，在包括氣體和水體污染物的傳感分析中體現了優異的檢測性能和應用潛力。Environmental Analysis with 2D Transition?Metal Dichalcogenide?Based Field?Effect TransistorsXiaoyan Chen, Chengbin Liu, Shun Mao*Nano?Micro Lett.(2020) 12:95https://doi.org/10.1007/s40820-020-00438-w1. 系統地綜述了二維過渡金屬硫化物(TMDC)的場效應晶體管(FET)傳感器在環境分析領域的研究進展。2. 剖析了環境介質如氣體和水體對傳感器結構設計和檢測性能的影響。3. 分析了二維過渡金屬硫化物晶體管傳感器的應用挑戰和未來研究方向。納米材料在場效應晶體管傳感器中的應用是晶體管器件克服摩爾定律取得性能突破的關鍵。二維材料由于其高比表面積提供的高密度結合位點和獨特的原子層厚度的二維納米結構，作為晶體管傳感器通道材料賦予了器件極高的環境敏感性。二維過渡金屬硫化物(TMDC)是一類具有類石墨烯層狀結構的新型二維納米材料，同時其直接帶隙的半導體結構特征使成為更理想的晶體管傳感器通道材料。典型的TMDC材料如二硫化鉬，具有高載流子遷移率(60 cm2/V s,250 K),層結構相關帶隙(1.2-1.8 eV)和高晶體管開關比(~108)，已廣泛應用于傳感分析，包括氣體、重金屬檢測等。基于二維TMDC的晶體管傳感器的研究主要集中于通道材料的結構和性能調控，以及接觸相界面理化作用的研究。前者著眼于傳感器本身而后者則與工作環境和檢測對象密切相關。同濟大學毛舜教授課題組在本文中立足于二維TMDC晶體管傳感器的前沿研究，全面綜述了應用于晶體管敏感膜中的不同種類二維TMDC材料的研究現狀和基于不同通道材料、器件結構的晶體管傳感器的工作機理的分析；同時基于不同的工作環境，分別綜述了其在氣體傳感和水質分析方面的研究進展，最后綜合分析了晶體管傳感器在環境分析領域現階段研究所存在的挑戰以及未來可能取得突破的研究方向。I 過渡金屬硫化物和場效應晶體管傳感器結構和理論基礎過渡金屬硫化物(TMDC)是過渡金屬元素(IV B-VI B)和硫族元素(S, Se, Te)化合的一類化合物的總稱，其獨特的結構在于通過van der Waals力堆疊的二維層狀結構，可以通過機械剝離、液相剝離、化學氣相沉積等多種方法制備得到，制備方式的不同所得到的TMDC材料在相結構上有所差異(即2H/1T/1T’等)；同時TMDC的相結構決定了其電學性能，包括半導體類型、帶隙和理論載流子遷移率等。此外，二維層狀結構也影響TMDC材料的電學性能，例如從單層到多層結構其能帶結構從直接帶隙到間接帶隙的變化，TMDC材料的費米能級可通過二維堆積來調控。TMDC材料的結構和性能總結見圖1。基于這些獨特的理化和電學性能，TMDC材料在電子器件中擁有廣泛的應用。圖1. 二維過渡金屬硫化物的結構和電學性質：(a)TMDC材料的二維層狀結構；(b)TMDC材料三種相晶格結構；(c)不同TMDC材料的電學參數：半導體類型、帶隙和理論載流子遷移率。TMDC場效應晶體管的結構包括源漏極、半導體通道、柵極以及柵極介電層(圖2)。在檢測過程中，檢測目標物通過影響TMDC表面電荷遷移能力轉化為電學信號輸出，這種影響機制可以總結為電荷調制機制和介電調制轉導機制。電荷調制機制是檢測目標與TMDC表面通過直接接觸產生的電荷傳遞過程為原理；介電調制轉導機制是檢測對象通過周圍電場影響TMDC與柵極之間電容變化過程為原理。晶體管傳感器件通過I-V特性和轉移特性曲線對器件性能進行表征和分析，并通過基于時間分辨的動態響應曲線直觀地描述晶體管傳感器對檢測對象濃度的實時響應。圖2. TMDC晶體管傳感器的結構、工作原理、電學性能表征和信號響應圖。二維TMDC晶體管對氣體的傳感檢測主要依賴氣體分子在TMDC表面吸附后的直接作用。基于電荷調節機制，小分子氧化和還原性氣體因其分子的電子層結構的不同在與TMDC材料表面直接接觸時有電荷傳遞方向的區別：氧化性氣體如NO2的非成鍵電子和還原性氣體如NH3的孤對電子分別趨向于引起電子從TMDC表面到氣體和氣體到TMDC表面的轉移(圖3)。電子的轉移引起TMDC通道載流子濃度的變化從而引起電導的變化。晶體管氣體傳感器的研究主要集中于檢測的敏感性，這取決于氣體分子在TMDC表面的吸附情況，可通過基于密度泛函理論的第一性原理計算研究和分析這些氣體吸附行為。圖3. 二維TMDC場效應晶體管傳感器對氧化性氣體(以NO2為例)和還原性氣體(以NH3為例)的檢測。基于化學修飾的界面調控是優化氣體傳感性能的重要手段，可歸納總結為：類合金的形成，異質結的構建以及低維納米材料(包括納米顆粒、納米線等)的摻雜(圖4a-c)。除了氧化還原氣體，對于其它無明顯氧化還原特性的氣體，包括各種揮發性有機氣體(VOCs)等，對TMDC通道的結構調控和表面化學修飾更顯重要。傳感界面調節手段可調節傳感通道的表面能和氣體吸附能、改變理化吸附狀態、強化電荷交換過程等，并產生選擇性吸附特性，賦予傳感器對氣體分子的選擇性檢測。目前的研究在檢測靈敏度和單一氣體環境中的選擇性檢測方面取得了不錯的成果，然而在復雜大氣環境中的實際檢測仍表現出分子識別方面的性能瓶頸(如特異性識別能力不足)，因此需要在器件結構和傳感材料方面進行更深入的研究，提高其氣體檢測性能。圖4. 二維TMDC通道材料界面調控的典型化學修飾手段(a-c)及其晶體管傳感器對揮發性有機化合物的檢測(d-e)。
與氣體檢測不同，由于水體介質復雜的化學環境，場效應晶體管水質傳感器對TMDC材料性能和器件結構的要求以及工作機理都更為復雜。不同于氣體檢測主要基于直接的界面電荷傳遞，水體中的離子檢測主要依賴被測離離子的自身電荷所引起的電場效應或與TMDC表面修飾官能團的作用與通道材料發生電荷傳遞。對于中性分子的檢測機理則有別于供-受電子理論；水體電中性粒子對晶體管TMDC通道的影響需要依靠其表面修飾的官能團，因而更加依賴于對TMDC表面的功能化修飾。這種間接的電學影響需要非電中性的表面官能團轉化，如圖6的抗生素傳感器中檢測基團核酸適配體在水體中因水解帶電，通過與抗生素分子結合后的形態變化影響TMDC通道的表面電荷濃度與分布。此外對細菌、病毒等水體生物指標的檢測，其研究重點同樣是對TMDC表面的功能化界面調控，賦予通道表面對微生物本體或微生物細胞表面重要生物標志物以識別能力，如修飾抗原蛋白等。德拜屏蔽效應是晶體管傳感器在水體環境工作過程中難以規避的限制，這對被測分子與通道表面的距離有嚴格要求。另外，由于TMDC材料在水中的化學和機械穩定性問題，現階段基于二維TMDC的晶體管傳感器在水質分析研究主要關注于TMDC表面的功能化修飾，其目的在于同時或部分實現強化被測分子的界面鉚合，縮短與TMDC表面的距離，實現官能團對被測分子的選擇性捕捉，以及TMDC材料的表面保護等。圖6. 基于核酸適配體修飾的MoS2晶體管抗生素傳感器：(a)檢測機理和(b)不同抗生素暴露水平下的實時響應曲線。基于二維TMDC通道的晶體管傳感器在環境檢測領域有廣闊的應用前景，對于實現快速、原位環境檢測和發展在線環境監測技術有著重要的研究價值。同時，現階段的基礎研究中仍然存在很多技術挑戰和理論難點。在氣體傳感方面，雖然各種類型的二維TMDC材料被廣泛應用于氣體檢測中，并提供了強化氣體傳感的可行策略，但仍然缺乏系統的理論闡述器件傳感性能受TMDC界面調控的定量或半定量關系；另外，傳感器在復雜空氣環境中的特異性檢測能力仍有不足，且易受環境溫度和濕度的影響。在水質分析方面，基于二維TMDC晶體管的水質傳感器件的研究仍處于早期階段，水體環境的復雜性仍是現階段研究的重點和難點。TMDC通道材料周圍介質的電學和化學影響需要通過對材料表面功能化進行更深入和系統的研究加以控制，以實現高敏感、高選擇性和高穩定性的檢測性能。總之，二維TMDC晶體管傳感器在快速、高效、在線環境污染物識別與分析中展現了巨大的研究和應用潛力，相關研究將推動二維半導體納米材料和晶體管傳感技術的發展，為高效環境分析方法提供新的可能。場效應晶體管傳感器研究，包括基于石墨烯、過渡金屬硫化物和黑磷等二維納米材料和有機半導體敏感材料的水質檢測和生物傳感技術。在Biosensors & Bioelectronics、Nano-Micro Letters、Environmental Science: Nano等學術期刊上發表論文10余篇，申請國家發明專利1項，2次獲得博士研究生國家獎學金，獲2020屆上海市優秀畢業生稱號。ground-image: none; background-clip: border-box; background-position: 0% 0%; background-repeat: repeat; background-size: auto; border-width: 0px; border-style: none; border-color: rgb(51, 51, 51); bottom: auto; float: none; height: auto; left: auto; max-height: none; min-width: 0px; text-decoration-style: solid; text-decoration-color: rgb(51, 51, 51); top: auto; z-index: auto; visibility: visible; clear: none;">主要從事環境分析方面的研究工作，包括基于場效應晶體管、電化學、熒光等傳感技術的高風險環境污染物快速、原位分析方法。在EnergyEnviron. Sci.、Adv. Mater.、Chem.Soc. Rev.等期刊發表研究論文120余篇；入選科睿唯安2018、2019年“全球高被引科學家”。主持國家重點研發計劃等國家級、省部級科研項目4項。擔任國際水協青年委員會(IWA-YWP)委員；Engineering(中國工程院院刊)學科編委會成員；Nano-Micro Letters(Springer)編委；Frontiers in Energy Research(Frontiers)審稿編輯。
