痕量氧傳感在環境檢測、能源、化工、物聯網、智能制造等領域有重要的應用。目前，傳統的電化學型氧傳感器的傳感機制是利用氧氣在敏感材料兩側的濃差電壓進行信号反饋，所制器件構型難以被小型化和集成化，無法實時和便捷地對氧氣傳感。相較于前者，電阻型氧傳感器構造簡單，便于集成。電阻型器件由兩端電極連接傳感材料構成，電極間的溝道面積大，有利于氣體吸附。基于高比表面積的二維材料的電阻型傳感器不僅具有高靈敏度等特點，還可兼容矽工業的平面加工和集成工藝。然而，由于諸如MoS2的二維材料表面缺乏有效的氧吸附活性位點，已報道的二維材料基氧傳感器還未能真正地實現亞ppm痕量氧檢測。故制備具有有效活性位點的二維材料基氧傳感器成為實現痕量氧檢測的關鍵。

近三年來，beat365彭海琳教授課題組首次報道合成具有高遷移率的二維半導體Bi2O2Se，開發了二維Bi2O2Se晶體的一系列制備方法，在高速低功耗電子器件、量子輸運器件、超快高敏紅外光探測等方面展現出優異性能（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060; Nature Commun. 2018, 9, 3311; Science Advances 2018, 4, eaat8355; Nano Lett. 2019, 19, 2148; Adv. Mater. 2019, 31, 1901964; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2726）。Bi2O2Se材料具有層狀結構，由離子層[Se]n2n- 和 [Bi2O2]n2n+交替堆疊構成，其高遷移率和合适能隙（約0.8eV）的特點有利于制作高信噪比的氣體傳感器。最近，彭海琳教授課題組與合作者将二維Bi2O2Se成功應用于亞ppm範圍痕量氧氣的高穩定性和高選擇性的室溫檢測，氧檢測極限達0.25 ppm。

該研究工作利用掃描隧道顯微鏡（STM）和原位X射線光電子能譜技術（原位XPS）、以及霍爾器件的表征，并結合第一性原理計算，闡明了二維Bi2O2Se對痕量氧氣的吸附和高性能檢測的機制。研究發現，當二維Bi2O2Se晶體暴露于氧氛圍中時，其表面會形成高比表面積的非晶Se重構原子層。這一非晶的Se原子層能有效吸附氧分子，引起二維Bi2O2Se半導體的遷移率和費米能級的變化，借此Bi2O2Se電導率能被有效調制【圖1】。另外，通過器件集成，二維Bi2O2Se陣列式氧傳感器的信噪比明顯增強，能對痕量的氧氣（低于0.25 ppm）響應。該工作表明，二維的Bi2O2Se晶體不僅可用于光電傳感，還能應用到痕量氣體傳感，有望滿足未來物聯網時代對傳感器件的小型化、智能化和可集成化需求。

該研究工作近期以“Exploiting Two-Dimensional Bi2O2Se for Trace Oxygen Detection”為題在Angew. Chem. Int. Ed.發表（https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202006745）。beat365彭海琳教授是該工作的通訊作者，共同第一作者為beat365博雅博士後許适溥和以色列魏茨曼科學研究所的付會霞博士，該工作的主要合作者還包括魏茨曼科學研究所的顔丙海教授、beat365物理學院的江穎教授、牛津大學的陳宇林教授、上海科技大學的柳仲楷教授和劉志教授。該工作得到了來自國家自然科學基金、北京分子科學國家實驗室、中國博士後科學基金、beat365博雅博士後等項目的支持。

謹以此文熱烈祝賀唐有祺先生百年華誕！

圖1：二維Bi2O2Se晶體表面氧分子吸附及其對痕量氧的檢測