CN109580725A - 基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器及制备 - Google Patents

基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器及制备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器及制备，该气体传感器包括被图形化为相连的导电沟道与天线结构两个部分的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜，在导电沟道表面覆盖有钝化层；天线结构用于吸附待测气体作为气体敏感层；当待测气体分子吸附于天线结构的表面并发生电荷转移后，天线结构内的载流子浓度发生变化，形成浓度梯度，引发载流子的扩散，使得导电沟道内的载流子浓度变化，最终导致导电沟道电阻的改变，从而实现该气体传感器对待测气体的传感。本发明通过将气体敏感层与导电沟道在传感器结构上区分为两个部分，不仅有利于增加传感器的稳定性，而且可以利用天线结构的增益效应提高气体传感器的灵敏度。

Description

基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器及制备
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于天线结构的二维过渡金属硫化物(TMDCs)气体传感器及制备方法。
背景技术
气体传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电、光、声等可以被设备直接读取、量化的信号，从而进行检测、监控、分析、报警等。近几十年来气体传感器在工业生产、环境监测、医药卫生等领域得到了广泛应用。依据检测原理气体传感器可分为电学类、光学类、电化学类、测热类等，其中以金属氧化物半导体SnO2、ZnO、Fe2O3等为代表的电学类气体传感器因其灵敏度高、响应速度快、经济可靠、体积小易携带与现状电子设备兼容等优点而得到迅猛发展，目前已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。但常温下金属氧化物与吸附气体间的氧化还原过程的反应活性低，通常需要附加的加热装置，将气体传感器加热至200℃以上的工作温度，这不仅增加了功耗，不利于器件的微型化，也限制了将传感器集成到半导体芯片中的应用。同时，长时间的高温环境不仅会降低器件的稳定性，还会带来安全隐患，特别是待测气体成分未知，可能存在易燃易爆气体的情况下。
二维TMDCs由于其分子级的厚度和巨大的比表面积，其电学性能很容易受表面吸附气体分子影响。理论上讲，单层TMDCs结构中每一个分子都是表面分子，因此理想情况下每个分子都可以和气体发生相互作用，这使得基于TMDCs的气体传感器将具有很高的灵敏度。特别是，二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、二硒化钼(MoSe2)、二硒化钨(WSe2)这四种半导体型TMDCs，具有载流子迁移率高、机械强度高、化学稳定性及热稳定性好等优点，因而在气体传感器领域有广阔的应用前景。根据已有报道，MoS2、WS2等对NO2、NO、NH3等无机气体以及丙酮、三乙胺等有机挥发性气体，在常温下均表现出优异的敏感性。
二维TMDCs气体传感器对气体分子的探测包含两个过程：TMDCs材料表面没有悬挂键，气体分子首先以范德华力吸附于其表面，接着吸附的气体分子和TMDCs之间发生电荷转移，导致TMDCs材料中载流子浓度改变，TMDCs电阻随之改变。可见，和传统金属氧化物气体传感器不同，二维TMDCs对气体的探测不依赖于氧化还原反应，从而有利于降低传感器工作温度。由于不同气体分子吸附能的差异以及电荷转移能力的差异，TMDCs对气体分子的敏感性各不相同，因而具有选择性。此外，也正是因为TMDCs表面无悬挂键，呈化学惰性，原则上其耐腐蚀性也要远远优于传统金属氧化物半导体，可在一些含腐蚀性气体的恶劣环境中实现气体探测。
为推动TMDCs传感器逐步走向实际应用，目前有关TMDCs基传感器的研究主要围绕两个方面：一是进一步拓展传感器的性能，如响应度、稳定性、响应时间等，二是利用二维TMDCs巨大的比表面积附着不同的气体敏感材料，增加传感器性能的特异性，提升传感器的气体选择性。
但电阻型TMDCs气体传感器性能的进一步提升依然面临不少挑战。理论上，随着材料厚度减小，层间电荷屏蔽效应减弱，吸附分子对气体敏感材料电学性能的影响增大，因此，单层材料将拥有最高的敏感性。另一方面，传统体材料气体传感器导电沟道处于半导体内部，受表面散射影响较小，电阻的改变只取决于材料的载流子浓度变化，即电荷转移数目。而对于二维TMDCs气体传感器，如果依旧采用与金属氧化物半导体相同的常规两端电阻型结构，即TMDCs薄膜既是气体敏感层又是导电沟道，这时随着二维TMDCs材料厚度减小，载流子受表面散射的影响将会越来越大。TMDCs与吸附分子间的电荷转移不仅改变TMDCs中的载流子浓度，同时，吸附分子作为散射中心将显著降低载流子的迁移率，其结果是，电阻的改变难以真实反映待测气体浓度。特别是对TMDCs层吸附气体分子后，其内部载流子浓度增加，预期电流将会增大的情况。此外，研究表明靠近金属电极的TMDCs吸附气体后，由于电荷转移引起接触处肖特基势垒改变，将导致输出电流与待测气体浓度之间的定量关系复杂化。
以MoS2对NH3分子的探测为例，原则上，NH3吸附在MoS2表面后电子从NH3转移到MoS2，导致MoS2中电子浓度增加，并且电流信号的增加理应和吸附的NH3分子数目线性正相关，但由于表面散射作用，吸附NH3分子后MoS2中的载流子迁移率也显著退化，两种作用相互抵消，导致吸附NH3后电流信号的增加受到极大的抑制。这与实验报道的单层MoS2吸附气体后电流信号的稳定性明显低于多层MoS2器件一致。综上可见，常规结构的电阻型TMDCs气体传感器中，TMDCs薄膜既是气体敏感层又是导电沟道，极大限制了器件响应度的进一步提升，并造成器件稳定性严重退化。
发明内容
针对现有技术的以上缺点或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器及制备，通过将一块完整的TMDCs薄膜图形化为导电沟道和天线结构两个直接相连的区域，使导电沟道中TMDCs不直接与气体相互作用，而以天线结构二维TMDCs作为气体敏感层；导电沟道与电极(如金属电极)接触，并在沟道内电场的作用下输出对电阻相对应的电流或电压信号，而天线结构内无电场，不产生电场下的载流子漂移；并且，以钝化层覆盖导电沟道和金属接触区域TMDCs薄膜，而暴露出天线结构TMDCs参与气体的吸附、脱附。当待测气体分子吸附于天线结构TMDCs表面并发生电荷转移后，天线结构TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致导电沟道与天线结构TMDCs之间的费米能级平衡被打破，形成浓度梯度，引发载流子的扩散，使得导电沟道内TMDCs载流子浓度变化，相应地，电阻改变；最终，利用导电沟道电阻的改变即可实现对待测气体进行传感。这样，一方面可以利用天线结构的增益效应进一步提高TMDCs基气体传感器的灵敏度，另一方面，将气体敏感层与导电沟道从结构上区分开来，有利于增加传感器的稳定性。此外，如果选用高介电常数栅介质薄膜作为钝化层，可以提高TMDCs导电沟道内的载流子迁移率，同样有利于提升传感器的灵敏度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器，其特征在于，该气体传感器包括二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜，该TMDCs薄膜被图形化为相连的导电沟道与天线结构两个部分；其中，在所述导电沟道表面覆盖有钝化层，使该导电沟道不与待测气体直接相互作用；所述天线结构则用于吸附待测气体作为气体敏感层；当待测气体分子吸附于所述天线结构的表面并发生电荷转移后，该天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度发生变化，进而导致所述导电沟道与所述天线结构之间的费米能级平衡被打破，形成载流子浓度梯度，从而引发载流子的扩散，使得所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度变化，最终导致所述导电沟道电阻的改变，该气体传感器即利用该导电沟道电阻的改变实现对待测气体进行传感。
作为本发明的进一步优选，所述天线结构的顶面表面积与所述导电沟道的顶面表面积之比大于2：1；
优选的，所述天线结构在二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜所在平面上的投影形状呈漏斗形或扇形形状，越靠近所述导电沟道的部分其投影形状越收窄。
作为本发明的进一步优选，所述待测气体分子具体是以范德华力吸附于所述天线结构的表面后发生电荷转移，导致该天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度改变。
按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供绝缘衬底，该绝缘衬底上具有二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层；
(2)将所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层进行图形化处理，去除目标图形结构区域外的二维过渡金属硫化物TMDCs材料，得到图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层，该图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层包括相连的导电沟道与天线结构两个部分；
(3)在所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面形成电极层，从而形成分别与导电沟道两端相连的两个电极；
(4)在所述图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层表面形成钝化层，使所述钝化层覆盖所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面；
(5)将所述钝化层进行图形化处理，使得到的图形化的钝化层覆盖所述导电沟道的表面，且暴露所述天线结构形成开口，所述开口作为气体吸附及脱附的窗口。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述绝缘衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构，或者为含有绝缘层的半导体衬底；
其中，所述半导体衬底具体为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；该半导体衬底中含有的所述绝缘层为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中的任意一种或者是它们中的两者及两者以上组成的化合物或叠层中的任一种，所述绝缘层的厚度为5-500nm；
所述步骤(1)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层具体是直接生长或者转移至所述绝缘衬底上的；优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层是采用化学气相沉积方法直接在所述绝缘衬底表面生长形成的；
所述步骤(1)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种或者它们的合金中的任一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层的厚度0.6-100nm；
所述步骤(2)中，所述天线结构的顶面表面积与所述导电沟道的顶面表面积之比大于2：1；
优选的，所述天线结构在二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜所在平面上的投影形状呈漏斗形或扇形形状，越靠近所述导电沟道的部分其投影形状越收窄；
所述步骤(3)中，所述电极层所采用的材料为Au单质金属、Pt单质金属、Ni单质金属、Ti单质金属及Cr单质金属中的其中一种或者它们的合金或叠层中的任一种，或者为导电性硅化物、氮化物、碳化物中的任一种或者它们中的两种及两种以上叠层中的任意一种，所述电极层的厚度为20-1000nm；
所述步骤(4)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。
按照本发明的再一方面，本发明提供了一种基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维过渡金属硫化物气体传感器，其特征在于，该气体传感器包括二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜，该TMDCs薄膜被图形化为相连的导电沟道与天线结构两个部分；其中，在所述导电沟道表面覆盖有钝化层，使该导电沟道不与待测气体直接相互作用；所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料上具有金属或金属氧化物纳米颗粒，这些金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的天线结构用于吸附待测气体作为气体敏感层；当待测气体分子吸附于金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维过渡金属硫化物TMDCs天线结构并发生电荷转移后，该天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度发生变化，进而导致所述导电沟道与所述天线结构之间的费米能级平衡被打破，形成载流子浓度梯度，从而引发载流子的扩散，使得所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度变化，最终导致所述导电沟道电阻的改变，该气体传感器即利用该导电沟道电阻的改变实现对待测气体进行传感。
作为本发明的进一步优选，所述天线结构的顶面表面积与所述导电沟道的顶面表面积之比大于2：1；
优选的，所述天线结构在二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜所在平面上的投影形状呈漏斗形或扇形形状，越靠近所述导电沟道的部分其投影形状越收窄；
并且，所述金属或金属氧化物纳米颗粒与所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料之间由于费米能级差异会构成异质结。
作为本发明的进一步优选，当待测气体分子吸附于所述天线结构上的所述金属或金属氧化物纳米颗粒表面后，引起这些纳米颗粒功函数改变，使得这些纳米颗粒与所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料之间的费米能级平衡被打破，产生电荷转移导致所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度发生变化；进而导致所述天线结构与所述导电沟道之间费米能级平衡被打破，引发载流子的扩散，最终导致所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度变化，该气体传感器用于利用该导电沟道电阻的改变对待测气体进行传感。
按照本发明的再一方面，本发明提供了制备上述基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维过渡金属硫化物气体传感器的制备方法，其特征在于，
(1)提供绝缘衬底，该绝缘衬底上具有二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层；
(2)将所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层进行图形化处理，去除目标图形结构区域外的二维过渡金属硫化物TMDCs材料，得到图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层，该图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层包括相连的导电沟道与天线结构两个部分；
(3)在所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面形成电极层，从而形成分别与导电沟道两端相连的两个电极；
(4)在所述图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层表面形成钝化层，使所述钝化层覆盖所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面；
(5)将所述钝化层进行图形化处理，使得到的图形化的钝化层覆盖所述导电沟道的表面，且暴露所述天线结构形成开口；
(6)在所述开口中的所述天线结构其二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面形成金属或金属氧化物纳米颗粒；此外，所述开口用于作为气体吸附及脱附的窗口。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述绝缘衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构，或者为含有绝缘层的半导体衬底；
其中，所述半导体衬底具体为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；该半导体衬底中含有的所述绝缘层为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中的任意一种或者是它们中的两者及两者以上组成的化合物或叠层中的任一种，所述绝缘层的厚度为5-500nm；
所述步骤(1)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层具体是直接生长或者转移至所述绝缘衬底上的；优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层是采用化学气相沉积方法直接在所述绝缘衬底表面生长形成的；
所述步骤(1)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种或者它们的合金中的任一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层的厚度0.6-100nm；
所述步骤(2)中，所述天线结构的顶面表面积与所述导电沟道的顶面表面积之比大于2：1；
所述步骤(3)中，所述电极层所采用的材料为Au单质金属、Pt单质金属、Ni单质金属、Ti单质金属及Cr单质金属中的其中一种或者它们的合金或叠层中的任一种，或者为导电性硅化物、氮化物、碳化物中的任一种或者它们中的两种及两种以上叠层中的任意一种，所述电极层的厚度为20-1000nm；
所述步骤(4)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层；
所述步骤(6)中，在所述开口中的所述天线结构其二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面形成金属或金属氧化物纳米颗粒，具体是采用气相方法或者液相方法形成的；
优选的，所述气相方法具体为物理气相沉积法，通过该物理气相沉积法在所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面沉积设定厚度为1-10nm的金属，金属岛状生长形成非连续的金属纳米颗粒；
所述步骤(6)中，金属纳米颗粒为Au、Pt、Pd及Mo单质金属中的一种或两种及两种以上的合金中的任意一种，金属氧化物纳米颗粒为SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2及In2O3中的任意一种或者它们中的两者及两者以上组成的化合物中的任一种，这些金属纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒的尺寸均满足1-100nm。
如上所述，本发明的基于天线结构的二维TMDCs气体传感器及制备方法，具有下列有益效果。本发明提出将二维TMDCs薄膜图形化为导电沟道与天线结构两部分，其中导电沟道被钝化层保护而不与气体相互作用，而天线结构作为气体敏感层，使得气体敏感层与导电沟道在结构上得到区分。这样不仅可以将二维TMDCs巨大比表面积、高化学稳定性、耐腐蚀、吸附/脱附温度低等优势用于对待测气体的传感，同时也巧妙解决了吸附气体对二维TMDCs输运特性的不利影响，如导电沟道内吸附分子的电离杂质散射作用造成的载流子迁移率下降，以及气体吸附对器件接触电阻的影响等。再结合天线结构拥有的增益效应，有助于进一步提高TMDCs基气体传感器的灵敏度。
本发明中，二维TMDCs连续薄膜被图形化为导电沟道与天线结构两个部分，两者之间相互连接但功能不同；本发明以大面积的天线结构吸附待测气体作为气体敏感层，利用天线结构的增益效应提高传感器的灵敏度。通过采用钝化层覆盖所述导电沟道表面，从而消除待测气体分子对导电沟道内载流子输运特性的影响，有效提高传感器的稳定性。当待测气体分子吸附于天线结构TMDCs表面并发生电荷转移后，天线结构与导电沟道之间形成载流子的浓度梯度，引发载流子的扩散，最终导致导电沟道内载流子浓度变化，电阻发生改变。本发明通过将天线结构与导电沟道之间的表面积比优选控制为大于2，可得到良好的增益效应。本发明还优选对天线结构的形状进行控制，优选将天线结构在二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜所在平面上的投影形状控制呈漏斗形或扇形形状，这样越靠近导电沟道的部分其投影形状越收窄，更便于载流子的收集。
更进一步，只需要将含绝缘层的半导体衬底应用于所述基于天线结构的二维TMDCs气体传感器中，就可以得到场效应晶体管气体传感器。从而利用背栅电场二维TMDCs中载流子浓度的调控作用，实现对气体传感器底电流、噪声、功耗、灵敏度、气体饱和浓度等的可控调制，拓展其应用范围。
此外，将金属或者金属氧化物纳米颗粒修饰应用于所述基于天线结构的二维TMDCs气体传感器，利用气敏材料的总表面积增加、异质结协同作用以及催化作用，能够有效增加传感器性能的特异性，提升气体选择性。这些纳米颗粒与TMDCs间由于费米能级差异会构成异质结，从而可以提高传感器性能响应度；另一方面，这种利用天线结构的大表面积附着不同的金属或金属氧化物纳米颗粒，还可以增加传感器性能的特异性，从而提高传感器对特定气体的响应度，提升其气体选择性。
本发明优选以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的TMDCs基气体传感器，主要是考虑到，较差的气敏选择性是半导体气体传感器所共同面临的一大挑战。研究表明，制备不同气体敏感材料的异质结构是提高传感器灵敏度和选择性的有效方法；因此，利用二维TMDCs巨大的比表面积附着不同的气体敏感材料，增加传感器性能的特异性，提高传感器对特定气体的响应度，提升其气体选择性，是目前有关二维TMDCs基气体传感器研究的一个重要方向。本发明具体地以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰TMDCs表面具有多重效果：一，纳米颗粒能够极大增加气敏材料的总表面积；二，纳米颗粒与TMDCs间由于费米能级差异会构成异质结，从而在传感器与气体的相互作用中产生协同作用；三，很多金属或者金属氧化物具有催化作用，能够极大促进传感器与气体的相互作用。可见，以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰TMDCs后，凭借上述气敏材料总面积增加、异质结协同作用以及催化作用，有助于进一步提升TMDCs基气体传感器的灵敏度。不仅如此，选用不同的金属或金属氧化物纳米颗粒，利用其不同的物理化学性能，还能够增加传感器性能的特异性，提升传感器的气体选择性。例如，利用Pd(钯)纳米颗粒能够极大地提升对氢气的响应能力，CuO(氧化铜)纳米颗粒有助于提高对H2S(硫化氢)的选择性，NiO(氧化镍)纳米颗粒有望改善对甲醛的选择性等。最后，相较于块体气敏材料，特别是对于金属氧化物，纳米颗粒体积小，比表面积大，活性位点多，能够显著降低气敏材料与气体间的反应温度。可见，本发明优选提供的以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的TMDCs基气体传感器，其工作温度将显著低于传统金属氧化物气体传感器。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于天线结构的二维TMDCs气体传感器的结构示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为正视图，(c)为侧视图。
图2为本发明提供的一种基于天线结构的二维TMDCs气体传感器制备方法的流程示意图。
图3为本发明提供的一种基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维TMDCs气体传感器的结构示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为正视图，(c)为侧视图。
图4为本发明提供的一种基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维TMDCs气体传感器制备方法的流程示意图。
图中各附图标记的含义如下：
101 绝缘衬底
101-1 半导体晶圆片
101-2 绝缘层
201 二维TMDCs薄膜层
201-1 导电沟道二维TMDCs层
201-2 天线结构二维TMDCs层
301 金属电极层
401 钝化层
501 金属或者金属氧化物纳米颗粒
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1本发明提供的一种基于天线结构的二维TMDCs气体传感器的结构示意图，具体制备方法流程如图2所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例皆可改变，且组件的布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施方式的基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器至少包括：绝缘衬底101，其中包含半导体晶圆片101-1，以及绝缘层101-2；二维TMDCs薄膜层201，其中包含导电沟道二维TMDCs层201-1，以及天线结构二维TMDCs层201-2，作为气体敏感层；金属电极层301；钝化层401。
如图2所示，本实施方式的基于天线结构的二维TMDCs气体传感器的制备方法至少包括：
步骤S1，提供绝缘衬底101，所述绝缘衬底101上具有二维TMDCs薄膜层201，具体为：
将二维TMDCs层薄膜直接生长或者转移至所述绝缘衬底表面，例如采用化学气相沉积、原子层沉积等方法直接在绝缘衬底表面形成二维TMDCs薄膜；
所述绝缘衬底101为玻璃、石英、陶瓷、蓝宝石等中的任意一种或者它们组成的复合结构；
可选地，所述绝缘衬底101也可以为含有绝缘层101-2的半导体晶圆片101-1；
所述半导体晶圆片101-1为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP等的其中一种或者它们的二元及二元以上合金中的任一种；
所述绝缘层101-2为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN等中的任意一种以及它们的二元及二元以上化合物或叠层中的任一种。
二维TMDCs薄膜层201为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种或者它们的合金中的任一种；
本实施例中，绝缘衬底101选用电阻率为0.001Ωcm的p型电阻硅作为半导体晶圆片101-1即衬底，也作为背栅电极层，300nm热氧化SiO2作为绝缘层101-2，可作为背栅介质。采用机械剥离法在绝缘衬底上制备单层或少层(1-10层)MoS2薄膜，作为二维TMDCs薄膜层201。
步骤S2，将所述二维TMDCs薄膜层201形成图形结构，所述图形结构包括导电沟道201-1和天线结构201-2两个相连的部分，去除图形结构外的TMDCs层；将所述二维TMDCs层形成图形结构具体可以：
于所述二维TMDCs层表面形成光刻胶，藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影，图形化所述光刻胶；
以所述图形化光刻胶作为掩模，采用干法刻蚀去除未被光刻胶保护的TMDCs薄膜层；
去除所述图形化后的光刻胶，以得到二维TMDCs层图形结构，包含导电沟道和天线结构两个相连的部分。
例如，具体可以为：
步骤S201，于MoS2薄膜层201表面旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S202，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S203，采用反应离子刻蚀(RE)处理光刻胶图形结构，刻蚀掉未被光刻胶保护的MoS2薄膜层201，CF4流量20sccm，压强0.8Pa，功率200W，刻蚀3min；
步骤S204，丙酮中去胶，形成MoS2薄膜层201图形结构。
步骤S3，于所述导电沟道201-1表面形成金属电极层301，具体可以：
于所述TMDCs层图形结构表面形成光刻胶，藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影，图形化所述光刻胶；
以所述图形化光刻胶作为掩模，采用物理气相沉积方法沉积金属，之后去除光刻胶，形成金属电极；
所述金属电极材料为Au、Pt、Ni、Ti、Cr等单质金属以及导电性硅化物、氮化物、碳化物等中的一种或两种及两种以上的合金或叠层中的任意一种；
本实施例中，选用Cr/Au金属叠层作为电极层301；
步骤S301，在MoS2薄膜层201图形结构表面旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S302，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S303，样品放入热蒸发镀膜机中抽真空，之后沉积10nm Cr与60nm Au叠层；
步骤S304，丙酮中去胶，形成电极层301。
步骤S4，于所述二维TMDCs层201图形结构表面形成钝化层401以覆盖所述导电沟道TMDCs层201-1，具体为：
所述钝化层为SiO2、Al2O3、HfO2等无机或者有机绝缘材料，可采用物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂等方法制备；
本实施例中，选用原子层沉积工艺制备的Al2O3薄膜作为钝化层401，将样品放入原子层沉积设备反应腔，以H2O和TMA(三甲基铝)作为反应源，在200℃沉积30nm Al2O3薄膜，作为钝化层401；
步骤S5，将所述钝化层401图形化，形成暴露天线结构TMDCs层201-2的开口，作为气体吸附/脱附的窗口，具体可以：
于所述钝化层表面形成光刻胶，藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影，图形化所述光刻胶；
以所述图形化光刻胶作为掩模，采用干法刻蚀或者湿法腐蚀，去除未被光刻胶保护的钝化层薄膜，形成暴露天线结构二维TMDCs层的开口，以作为气体吸附/脱附的窗口。
例如，具体可以为：
步骤S501，旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S502，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S503，在10％体积浓度HCl溶液中漂洗60s，刻蚀未被光刻胶层保护的Al2O3薄膜401，然后用去离子水清洗
步骤S504，丙酮中去胶，形成暴露天线结构二维MoS2薄膜层201-2的开口，以作为气体吸附/脱附的窗口，同时形成暴露部分电极层301的开口，方便后续电学测量。
图3本发明提供的一种基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维TMDCs气体传感器的结构示意图，具体制备方法流程如图4所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例皆可改变，且组件的布局型态也可能更为复杂。
如图3所示，本实施方式的基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维TMDCs气体传感器至少包括：绝缘衬底101，其中包含半导体晶圆片101-1，以及绝缘层101-2；二维TMDCs薄膜层201，其中包含导电沟道二维TMDCs层201-1，以及天线结构二维TMDCs层201-2，作为气体敏感层；金属电极层301；钝化层401；金属或者金属氧化物纳米颗粒501。
如图4所示，本实施方式的基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维TMDCs气体传感器的制备方法至少包括：
步骤S1，提供绝缘衬底101，所述绝缘衬底101上具有二维TMDCs薄膜层201，具体为：
将二维TMDCs层薄膜直接生长或者转移至所述绝缘衬底表面，例如采用化学气相沉积、原子层沉积等方法直接在绝缘衬底表面形成二维TMDCs薄膜；
所述绝缘衬底101为玻璃、石英、陶瓷、蓝宝石等中的任意一种或者它们组成的复合结构；
可选地，所述绝缘衬底101也可以为含有绝缘层101-2的半导体晶圆片101-1；
半导体晶圆片101-1为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP等的其中一种或者它们的二元及二元以上合金中的任一种；
绝缘层101-2为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN等中的任意一种以及它们的二元及二元以上化合物或叠层中的任一种。
二维TMDCs薄膜层201为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种或者它们的合金中的任一种；
本实施例中，绝缘衬底101选用电阻率为0.001Ωcm的p型电阻硅作为半导体晶圆片101-1即衬底，也作为背栅电极层，300nm热氧化SiO2作为绝缘层101-2，可作为背栅介质。采用机械剥离法在绝缘衬底上制备单层或少层(1-10层)MoS2薄膜，作为二维TMDCs薄膜层201。
步骤S2，将二维TMDCs薄膜层201形成图形结构，所述图形结构包括导电沟道201-1和天线结构201-2两个相连的部分，去除图形结构外的TMDCs层，具体为：
步骤S201，于MoS2薄膜层201表面旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S202，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S203，采用反应离子刻蚀(RE)处理光刻胶图形结构，刻蚀掉未被光刻胶保护的MoS2薄膜层201，CF4流量20sccm，压强0.8Pa，功率200W，刻蚀3min；
步骤S204，丙酮中去胶，形成MoS2薄膜层201图形结构。
步骤S3，于所述导电沟道201-1表面形成金属电极层301，具体为：
所述金属电极材料为Au、Pt、Ni、Ti、Cr等单质金属以及导电性硅化物、氮化物、碳化物等中的一种或两种及两种以上的合金或叠层中的任意一种；
本实施例中，选用Cr/Au金属叠层作为电极层301；
步骤S301，在MoS2薄膜层201图形结构表面旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S302，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S303，样品放入热蒸发镀膜机中抽真空，之后沉积10nm Cr与60nm Au叠层；
步骤S304，丙酮中去胶，形成电极层301。
步骤S4，于所述二维TMDCs层201图形结构表面形成钝化层401以覆盖所述导电沟道TMDCs层201-1，具体为：
所述钝化层为SiO2、Al2O3、HfO2等无机或者有机绝缘材料，可采用物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂等方法制备；
本实施例中，选用原子层沉积工艺制备的Al2O3薄膜作为钝化层401，将样品放入原子层沉积设备反应腔，以H2O和TMA(三甲基铝)作为反应源，在200℃沉积30nm Al2O3薄膜，作为钝化层401；
步骤S5，将所述钝化层401图形化，形成暴露天线结构TMDCs层201-2的开口，作为气体吸附/脱附的窗口，具体为：
步骤S501，旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S502，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S503，在10％体积浓度HCl溶液中漂洗60s，刻蚀未被光刻胶层保护的Al2O3薄膜401，然后用去离子水清洗
步骤S504，丙酮中去胶，形成暴露天线结构二维MoS2薄膜层201-2的开口，以作为气体吸附/脱附的窗口，同时形成暴露部分电极层301的开口，方便后续电学测量。
步骤S6，于所述开口中未被钝化层覆盖的天线结构TMDCs层201-2表面形成金属或金属氧化物纳米颗粒501，具体为：
所述金属纳米颗粒为Au、Pt、Pd、Mo等单质金属中的一种或两种及两种以上的合金中的任意一种，所述金属氧化物纳米颗粒为SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2、In2O3等中的任意一种或者它们的二元及二元以上化合物中的任一种；
所述金属或金属氧化物纳米颗粒，可采用气相方法沉积或者液相方法分散附着在TMDCs表面，如物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂等。例如，可以采用物理气相沉积法沉积超薄金属层，金属在TMDCs表面岛状生长形成金属纳米颗粒。
本实施例中，选用物理气相法沉积Pd纳米颗粒，Pd纳米颗粒有望显著提高传感器对H2的选择性和响应度；
将样品放入电子束蒸发镀膜机中抽真空，之后沉积3nm Pd，Pd在TMDCs表面岛状成核，于开口处未被钝化层覆盖的天线结构TMDCs层201-2表面形成Pd纳米颗粒501。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器，其特征在于，该气体传感器包括二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜，该TMDCs薄膜被图形化为相连的导电沟道与天线结构两个部分；其中，在所述导电沟道表面覆盖有钝化层，使该导电沟道不与待测气体直接相互作用；所述天线结构则用于吸附待测气体作为气体敏感层；当待测气体分子吸附于所述天线结构的表面并发生电荷转移后，该天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度发生变化，进而导致所述导电沟道与所述天线结构之间的费米能级平衡被打破，形成载流子浓度梯度，从而引发载流子的扩散，使得所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度变化，最终导致所述导电沟道电阻的改变，该气体传感器即利用该导电沟道电阻的改变实现对待测气体进行传感。
2.如权利要求1所述基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器，其特征在于，所述天线结构的顶面表面积与所述导电沟道的顶面表面积之比大于2：1；
优选的，所述天线结构在二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜所在平面上的投影形状呈漏斗形或扇形形状，越靠近所述导电沟道的部分其投影形状越收窄。
3.如权利要求1所述基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器，其特征在于，所述待测气体分子具体是以范德华力吸附于所述天线结构的表面后发生电荷转移，导致该天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度改变。
4.制备如权利要求1－3任意一项所述基于天线结构的二维过渡金属硫化物气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供绝缘衬底，该绝缘衬底上具有二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层；
(2)将所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层进行图形化处理，去除目标图形结构区域外的二维过渡金属硫化物TMDCs材料，得到图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层，该图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层包括相连的导电沟道与天线结构两个部分；
(3)在所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面形成电极层，从而形成分别与导电沟道两端相连的两个电极；
(4)在所述图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层表面形成钝化层，使所述钝化层覆盖所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面；
(5)将所述钝化层进行图形化处理，使得到的图形化的钝化层覆盖所述导电沟道的表面，且暴露所述天线结构形成开口，所述开口作为气体吸附及脱附的窗口。
5.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述绝缘衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构，或者为含有绝缘层的半导体衬底；
其中，所述半导体衬底具体为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；该半导体衬底中含有的所述绝缘层为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中的任意一种或者是它们中的两者及两者以上组成的化合物或叠层中的任一种，所述绝缘层的厚度为5-500nm；
所述步骤(1)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层具体是直接生长或者转移至所述绝缘衬底上的；优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层是采用化学气相沉积方法直接在所述绝缘衬底表面生长形成的；
所述步骤(1)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种或者它们的合金中的任一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层的厚度0.6-100nm；
所述步骤(2)中，所述天线结构的顶面表面积与所述导电沟道的顶面表面积之比大于2：1；
优选的，所述天线结构在二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜所在平面上的投影形状呈漏斗形或扇形形状，越靠近所述导电沟道的部分其投影形状越收窄；
所述步骤(3)中，所述电极层所采用的材料为Au单质金属、Pt单质金属、Ni单质金属、Ti单质金属及Cr单质金属中的其中一种或者它们的合金或叠层中的任一种，或者为导电性硅化物、氮化物、碳化物中的任一种或者它们中的两种及两种以上叠层中的任意一种，所述电极层的厚度为20-1000nm；
所述步骤(4)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。
6.一种基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维过渡金属硫化物气体传感器，其特征在于，该气体传感器包括二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜，该TMDCs薄膜被图形化为相连的导电沟道与天线结构两个部分；其中，在所述导电沟道表面覆盖有钝化层，使该导电沟道不与待测气体直接相互作用；所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料上具有金属或金属氧化物纳米颗粒，这些金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的天线结构用于吸附待测气体作为气体敏感层；当待测气体分子吸附于金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维过渡金属硫化物TMDCs天线结构并发生电荷转移后，该天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度发生变化，进而导致所述导电沟道与所述天线结构之间的费米能级平衡被打破，形成载流子浓度梯度，从而引发载流子的扩散，使得所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度变化，最终导致所述导电沟道电阻的改变，该气体传感器即利用该导电沟道电阻的改变实现对待测气体进行传感。
7.如权利要求6所述基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维过渡金属硫化物气体传感器，其特征在于，所述天线结构的顶面表面积与所述导电沟道的顶面表面积之比大于2：1；
优选的，所述天线结构在二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜所在平面上的投影形状呈漏斗形或扇形形状，越靠近所述导电沟道的部分其投影形状越收窄；
并且，所述金属或金属氧化物纳米颗粒与所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料之间由于费米能级差异会构成异质结。
8.如权利要求6所述基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维过渡金属硫化物气体传感器，其特征在于，当待测气体分子吸附于所述天线结构上的所述金属或金属氧化物纳米颗粒表面后，引起这些纳米颗粒功函数改变，使得这些纳米颗粒与所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料之间的费米能级平衡被打破，产生电荷转移导致所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度发生变化；进而导致所述天线结构与所述导电沟道之间费米能级平衡被打破，引发载流子的扩散，最终导致所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料内的载流子浓度变化，该气体传感器用于利用该导电沟道电阻的改变对待测气体进行传感。
9.制备如权利要求6－8任意一项所述基于天线结构以金属或金属氧化物纳米颗粒修饰的二维过渡金属硫化物气体传感器的制备方法，其特征在于，
(1)提供绝缘衬底，该绝缘衬底上具有二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层；
(2)将所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层进行图形化处理，去除目标图形结构区域外的二维过渡金属硫化物TMDCs材料，得到图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层，该图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层包括相连的导电沟道与天线结构两个部分；
(3)在所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面形成电极层，从而形成分别与导电沟道两端相连的两个电极；
(4)在所述图形结构的二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层表面形成钝化层，使所述钝化层覆盖所述导电沟道的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面；
(5)将所述钝化层进行图形化处理，使得到的图形化的钝化层覆盖所述导电沟道的表面，且暴露所述天线结构形成开口；
(6)在所述开口中的所述天线结构其二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面形成金属或金属氧化物纳米颗粒；此外，所述开口用于作为气体吸附及脱附的窗口。
10.如权利要求9所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述绝缘衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构，或者为含有绝缘层的半导体衬底；
其中，所述半导体衬底具体为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；该半导体衬底中含有的所述绝缘层为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中的任意一种或者是它们中的两者及两者以上组成的化合物或叠层中的任一种，所述绝缘层的厚度为5-500nm；
所述步骤(1)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层具体是直接生长或者转移至所述绝缘衬底上的；优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层是采用化学气相沉积方法直接在所述绝缘衬底表面生长形成的；
所述步骤(1)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种或者它们的合金中的任一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜层的厚度0.6-100nm；
所述步骤(2)中，所述天线结构的顶面表面积与所述导电沟道的顶面表面积之比大于2：1；
所述步骤(3)中，所述电极层所采用的材料为Au单质金属、Pt单质金属、Ni单质金属、Ti单质金属及Cr单质金属中的其中一种或者它们的合金或叠层中的任一种，或者为导电性硅化物、氮化物、碳化物中的任一种或者它们中的两种及两种以上叠层中的任意一种，所述电极层的厚度为20-1000nm；
所述步骤(4)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层；
所述步骤(6)中，在所述开口中的所述天线结构其二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面形成金属或金属氧化物纳米颗粒，具体是采用气相方法或者液相方法形成的；
优选的，所述气相方法具体为物理气相沉积法，通过该物理气相沉积法在所述天线结构的二维过渡金属硫化物TMDCs材料表面沉积设定厚度为1-10nm的金属，金属岛状生长形成非连续的金属纳米颗粒；
所述步骤(6)中，金属纳米颗粒为Au、Pt、Pd及Mo单质金属中的一种或两种及两种以上的合金中的任意一种，金属氧化物纳米颗粒为SnO2、ZnO、Fe2O3、TiO2及In2O3中的任意一种或者它们中的两者及两者以上组成的化合物中的任一种，这些金属纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒的尺寸均满足1-100nm。
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