Sintesis dan pencirian sifat 3R-molibdenum disulfida atas grafin untuk pengesanan wap aseton

Abstract

Aplikasi penderiaan VOC menggunakan 2H-MoS2 sering dibelenggu masalah kepekaan yang rendah disebabkan molekul gas menjerap dengan lemah, kurangnya tapak penjerapan di permukaan, serta kelincahan pembawa yang rendah. Terkini, 3RMoS2 dilaporkan mempunyai tapak penjerapan aktif yang lebih tinggi berbanding 2HMoS2, sesuai bagi aplikasi penderiaan. Walau bagaimanapun, kaedah sintesis semasa MoS2 melalui CVD menggunakan pelopor serbuk MoO3 sering mengalami masalah kehomogenan (morfologi dan ketebalan) filem. Walaupun terdapat usaha dengan meletakkan pelopor secara langsung bawah substrat, ianya amat tebal disebabkan jisim MoO3 yang digunakan, meskipun berada dalam julat miligram, ianya masih banyak. Selain itu, proses pemindahan etsa-basah MoS2 yang digunakan untuk fabrikasi peranti elektronik melibatkan penggunaan bahan etsa yang kuat seperti HF, dapat merosakkan struktur serta merubah ciri-ciri bahan. Oleh itu, kaedah pemindahan yang lebih mudah serta selamat diperlukan. Gabungan di antara 3R-MoS2 bersama grafin pula, dijangka dapat meningkatkan kelincahan pembawa lalu menyumbang kepada peningkatan prestasi penderiaan terhadap VOC. Kajian ini mengetengahkan penggunaan heterostruktur 3R-MoS2/grafin sebagai lapisan aktif untuk mengesan VOC seperti aseton, IPA dan toluena dalam penderia wap berasaskan IDE yang meliputi tiga (3) objektif kajian iaitu (i) mengkaji kesan perubahan jisim ultra-rendah MoO3 terhadap kehomogenan filem 3R-MoS2 atas grafin berbilang-lapisan yang disintesis melalui CVD, (ii) mengoptimum kaedah pemindahan bahan 2D untuk fabrikasi penderia VOC berasaskan 3R-MoS2, grafin dan 3R-MoS2/grafin dan (iii) menguji prestasi penderiaan VOC terhadap wap aseton, IPA dan toluena. Struktur beberapa lapisan 3R-MoS2 disahkan melalui pembelauan sinar-X (XRD) dan mikroskop elektron transmisi (TEM). Spektroskopi Raman menunjukkan kehadiran puncak biasa MoS2 (mod E1 2g dan A1g) dan puncak grafin (jalur D, G dan 2D) dalam spektrum 3R-MoS2/grafin. Interaksi yang baik antara kedua-dua bahan dapat dilihat dengan peralihan kecil puncak-puncak grafin yang boleh dikaitkan dengan pemindahan elektron dari grafin berbilang-lapisan ke 3RMoS2. Merujuk kepada imej mikroskopi daya atom (AFM), ketebalan 3R-MoS2 dan grafin berbilang-lapisan masing-masing adalah sekitar 3 nm dan 10 nm. Spektrum 3RMoS2/ grafin dari spektroskopi pancaran foto sinar-X (XPS) menunjukkan kemunculan puncak tajam C1s (ikatan karbon sp2) beserta puncak Mo3d dan S2p dari 3R-MoS2. Hal ini membuktikan kejayaan pertumbuhan 3R-MoS2 di atas grafin. Kelincahan pembawa 3R-MoS2/grafin diukur dengan membina transistor kesan medan (FET) dan dianggar sekitar 1036 cm2 V-1 s-1, lebih tinggi berbanding 3R-MoS2 asli (0.29 cm2 V-1 s-1). Ujian prestasi penderiaan VOC mendapati bahawa hetero-struktur 3R-MoS2/grafin menunjukkan gerak balas yang baik terhadap wap aseton dengan nilai gerak balas setinggi 0.05 % dengan kepekaan sekitar 0.0395 %/ppm dan had pengesanan LOD sekitar 1.29 ppm. Selain itu, 3R-MoS2/grafin juga mencatat masa bergerak balas pada ~127 saat, lebih pantas berbanding hanya menggunakan 3R-MoS2 asli iaitu pada ~150 saat sebagai bahan penderia. Hal ini dapat ditakrifkan berpunca daripada kelincahan pembawa grafin yang tinggi menjadikan proses pemindahan/pengangkutan cas dapat berjalan dengan lebih efektif. Oleh itu, pendekatan menggunakan 3R-MoS2/grafin berbilang-lapisan untuk mengesan VOC ini berpotensi untuk aplikasi dunia sebenar seperti mendiagnosis penyakit melalui analisa pernafasan.