王中林院士/孙其君研究员《AFM》综述：基于二维材料器件的集成式自驱动传感器

随着人们对清洁能源的需求、物联网(IoT)时代下传感器的不可或缺、以及大规模传感系统的应用推广，一种能够收集环境中低频-高熵机械能并将其转化为电能的新型发电装置-纳米发电机(NG)受到了广泛地关注。为了提高纳米发电机的输出性能并拓展更多的应用，可以将高迁移率且电学性能优异的二维(2D)材料融入纳米发电机构建自供电传感器或通过集成实现自驱动系统。鉴于此，中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和孙其君研究员团队对基于2D材料器件的集成化自驱动传感器作了深入的探讨和研究。重点根据2D材料的特性、结构和器件集成方式对石墨烯基、类石墨烯基、过渡族硫化物基、主族金属硫化物基、合金和异质结基、以及压电/摩擦电驱动的晶体管基自供电传感器进行了详细介绍。同时对其在人体运动感知、能量收集、生物医学、环境监测和人工智能等方面的应用进行了总结和概括。

1. 基于石墨烯的自供电传感器

石墨烯是最早发现的2D材料，为后续的2D材料的研究提供了基础。石墨烯是一层扁平的碳原子，以六角形晶格排列，是最薄也是最坚硬的材料，每个碳原子有四个价电子，所以每个碳原子又会贡献出一个剩余的p电子。这个剩余的价电子共同形成大π键，它垂直于石墨烯的平面，形成成键轨道π和反成键轨道π^*，构成了石墨烯的价带和导带，因此石墨烯的费米面处于价带和导带的相交点。其良好的力学和电学特性常用于压力/应变/柔性可拉伸等自供电传感器中。

2. 基于类石墨烯的自供电传感器

由于类石墨烯2D材料例如h-BN、MXene等独特的结构和高的比表面积，人们对类似于石墨烯的二维层状结构也产生了越来越浓厚的兴趣。作为类石墨烯的典型代表之一，自从2011年第一篇MXene（Ti3C2Tx，其中T 代表表面的终端，包括OH, O 或 F）报道以来，科研人员陆续制备了各种各样的MXene材料。由于M-X具有较强的键能，A具有较活泼的化学活性，因此，可以通过刻蚀作用将A从MAX相中移除，从而得到类石墨烯的2D结构—MXene。其大的比表面积，可比金属的电导率使其在气体、压力、柔性等自供电传感器中得到了广泛地应用。

3. 基于过渡族金属硫化物的自供电传感器

过渡族金属硫化物是具有MX2型的半导体，M代表过渡金属(如Mo、W等)，X代表硫族元素(如S、Se、Te)。TMDCs的研究历史非常悠久，1923年Linus Pauling就确定了其结构，到1960s已经发现了超过60种过渡族金属硫化物。TMDs包括三种属性：金属性、半金属性和半导体性。MoS₂是一种典型的范德瓦尔斯材料，具有半导体性，也是过渡族金属硫化物中最重要的二维材料。基于MoS₂的自供电传感器不仅能够用于机械能的捕获，还能够进行压力的检测等。

4. 基于主族金属硫化物的自供电传感器

主族金属硫化物(SnSe, SnS , ZnS等)具有非常宽的带隙，有优良的光电特性和广泛地应用前景，已经越来越得到了人们的广泛关注。SnS是Ⅳ-Ⅵ族半导体材料，其化合物呈层状结构。每一层的Sn原子与S原子均以共价键结合，层与层之间则以较弱的范德瓦尔斯力结合。二维ZnS是主族金属硫化物中最具有代表性的材料，其纳米结构的合成可以利用非常简单的低温水热合成方法，不需要额外的电极沉积。并且在大面积基底上生长ZnS纳米结构很容易，有助于规模化生产。另外，基于2D ZnS摩擦纳米发电机自供电传感器在机械能量收集领域也得到了证实和应用。

5. 基于过合金和异质结的自供电传感器

2D材料合金与异质结充分利用了2D材料垂直方向纳米尺度的特点，在电子学和光电子学领域表现出了巨大的应用潜力和科学研究价值。2D材料异质结构是指两种或多种不同的2D材料紧密堆积构成的异质结，以及由2D材料与其他纳米材料或结构紧密接触所构成的复合结构。由于构成异质结构的两种或多种材料具有不同的带隙、电学特性、掺杂类型、光学吸收及发光、介电常数、功函数等，异质结构能够表现出不同于单一材料的性能，以异质结构为主体的电子或光电子器件的性能也往往比单一材料制备的同类器件更加优越。作者在文章中对合金和异质结结构的自供电传感器在气体监测、光电探测、紫外光探测等方面进行了综述。

6. 基于压电/摩擦电驱动晶体管

晶体管的出现造就了今天电子产品的繁荣，因此，晶体管被称为20世纪最伟大的发明，它为集成电路、微处理器和计算机存储器的产生奠定了基础。如今，与传统晶体管相比，基于纳米发电机的压电/摩擦电势调制的晶体管具有相当高的输出性能。与此同时，接触起电激活的突触晶体管在神经形态计算、记忆存储设备、图像识别和电子皮肤等各个领域都有潜在的应用前景。

该综述简要介绍了2D材料优异电学、光电和压电性能，并且对2D材料应用在TENG中的摩擦序列进行了介绍。然后，根据2D材料的特性、结构和器件集成方式对六类基于2D材料的自供电传感器进行了重点介绍。同时分别从五个方向对近年来基于2D材料的自供电传感器的应用进行了总结。在未来的研究中，进一步开发基于2D材料的自供电传感器需要考虑以下几个方面:

1. 基于纳米发电机的自供电传感器能量转换效率:纳米能源的一个重要应用是自驱动传感系统，其解决了制约物联网发展的微功率问题，从而实现无线传感器在无人值守条件下的稳定性和可靠性。因此，在纳米发电机的工作过程中，高的能量转换效率和输出性能是非常重要的。作者建议可以考虑将2D材料与NG更好地结合，以提高器件的整体输出性能。例如，对于2D石墨烯，增加石墨烯结构的层数可以改善其工作功能，从而提高基于石墨烯的纳米发电机传感器的能量转换效率。

2.适用材料:不同的2D材料具有不同的电子带结构、光学和电学性能。特别是2D异质结材料的结构匹配和功能互补在自供电传感器的制造中起着非常重要的作用。在自供电传感器的研究中，通过计算和模拟，从众多的2D材料中选择合适的材料是一个关键问题。

3.工艺优化与器件结构设计:器件的结构设计在原则上决定了其输出性能。另外，集成式自驱动传感器的制备是一个复杂的过程，它会在不同的环境中接触到不同的物质，每一个环节都会影响到该器件/系统的最终检测性能，因此器件的工艺优化是其良好性能的保证。研究人员可以在特定的应用环境中使用适当的工艺来优化相应的器件结构。

综上所述，基于二维材料的集成式自驱动系统的研究仍处于起步阶段，2D材料的选择、器件优化、结构设计、稳定性等方面仍值得考虑。然而，挑战与机遇并存。随着新型2D材料和器件的不断发现和开发，基于2D材料的自供电、主动式、集成式传感器也将更好地应用于人体监测、能量采集、生物医学和人工智能等领域。