《Advances in Engineering》专题报道
近日，国际知名工程科技新闻平台 《Advances in Engineering》 以研究亮点形式，专题报道了我校陈铜教授课题组在二维铁电材料气体传感器领域取得的重要进展。该报道聚焦于课题组发表于 Langmuir 期刊的研究论文（DOI: 10.1021/acs.langmuir.5c04115），认为其“为室温下栅极可调气体传感器提供了全新设计思路”。
《Advances in Engineering》每周从全球顶尖工程类期刊中遴选约30项具有高度创新性、应用潜力及国际关注度的研究成果进行专题报道，旨在向全球工程师和科研人员快速传递前沿工程科技动态。此次入选，标志着该研究成果在工程应用价值与学术创新性方面获得了国际同行的认可。
该研究由我校陈铜教授为通讯作者，2023级硕士研究生唐朋为第一作者，我校为第一完成单位。研究系统揭示了双层铁电In2Se3中栅压可调的气体选择性传感机制，实现了对NO、NO2和NH3三种污染性气体的电学可重构检测，为开发下一代智能气体传感器奠定了理论基础。
【文章信息】
Gate-Tunable Bilayer In2Se3-Based Room-Temperature Gas Sensor with Ultrahigh Sensitivity and Selectivity for NO, NO2 and NH3
通讯作者：陈铜*
第一作者：唐朋
单位：江西理工大学 能源与机械工程学院/能源材料计算中心
【研究背景】
铁电双层结构因其面外极化可直接改变表面电子环境而备受关注。与单层不同，双层体系引入了堆叠方式、屏蔽效应、界面电荷与自发极化耦合等复杂因素，可同时产生吸附不对称性和输运不对称性。然而，此前关于In2Se3气体传感的研究主要集中在单层，双层体系尚未得到充分探索。本研究旨在填补这一空白，阐明堆叠稳定性、界面电荷重分布、吸附位点偏好与栅极控制输运如何共同构成一个关于NO、NO2和NH3的连贯传感模型。
【文章要点】
要点一：稳定堆叠结构与层间电荷重构
在稳定堆叠结构与层间电荷分选方面，研究通过考察六种不同极化取向与横向对齐方式，确定了A2构型为双层In2Se3最稳定的堆叠方式。该构型中层间范德华耦合虽弱，但界面并未电子惰化，这归因于同极界面上的屏蔽效应。这意味着在分子吸附发生之前，双层内部已经完成了电荷的预先组织，为后续气体响应奠定了不对称的电子环境。
Figure 1. (a) Top view of a 2 × 2 supercell of In2Se3 with molecular adsorption sites. (b, c) Side views of the P↑ and P↓-states of In2Se3. (d-i) Bilayer In2Se3 structures with different stacking configurations.
要点二：层间独特的吸附行为
在层间吸附行为上，三种气体表现出显著差异。NH3在层间和底层位点，它与In原子形成In–N共价键，诱导晶格畸变，呈现化学吸附特征，吸附能相对较高。而NO和NO2在稳定构型中仍保持物理吸附，但其吸附强度强烈依赖于具体位点，底层通常比顶层产生更强的吸附，因为在底层时分子偶极子与铁电极化的耦合更为有效。
Figure 2. (a) Side view of the A2-stacked bilayer In2Se3, with labeled gas adsorption sites. (b) Band structure, DOS and (c) band alignments of bilayer In2Se3. (d) DCD and plane-averaged charge density difference of bilayer In2Se3
要点三：恢复时间与可重复使用性
在恢复时间与可重复使用性上，底层吸附的NO和NO2在室温下恢复非常迅速。即使是在底层以化学吸附结合的NH3，室温恢复时间也仅为27.9秒，表明器件具有良好的室温可重复使用性。若适度加热至400 K，NH3的恢复时间急剧缩短至毫秒级，500 K时更降至数十微秒，进一步保障了器件的实际应用潜力。
要点四：栅压可调的选择性
在栅压可调的选择性这一核心突破上，输运计算表明，双层器件在不同栅压条件下可呈现截然不同的气体响应曲线。零栅压时，NO2和NH3的灵敏度分别达到163%和108%，而NO的响应较弱；栅压升至2 V时，NO的灵敏度跃升至101%，较零栅压提高了2.6倍；栅压达3 V时，选择性发生变化，NO2以86%的灵敏度成为主导，NO和NH3分别降至26%和6%。这说明选择性可以通过施加栅压进行调节，为室温下可重构的气体传感器提供了全新设计思路。
Figure 3. Schematic diagram of a FET-type gas sensor based on bilayer In2Se3. (b-e) I-V curves of gas sensors based on bilayer In2Se3 detecting NO, NO2, and NH3 molecules under different gate voltages
Figure 4. The variation patterns of sensitivity for NO, NO2, and NH3 adsorption systems under different gate voltages (Vg) as a function of bias voltage (Vb).
【相关链接】
https://advanceseng.com/gate-controlled-gas-sensing-in-bilayer-ferroelectric-In2Se3/
