在众多半导体材料中，过渡金属二硫化物（TMDs）类材料因其独特的电子结构和优异的物理性质，逐渐成为气体传感器研究中的重要材料。二硫化钨作为一种典型的过渡金属二硫化物，具有极高的比表面积、良好的导电性以及在气体吸附过程中的显著反应性，因此在气体传感器领域展现了巨大的应用潜力。二硫化钨的半导体特性使其能够在气体分子与表面反应时，通过改变材料的电子结构或电导率，实现高效的气体检测。此外，单层和少层二硫化钨材料由于其独特的量子效应和优异的表面活性，能够显著提高气体传感器的灵敏度和选择性。二硫化钨薄层材料具有较高的表面原子密度，这为气体分子的吸附提供了更多的活性位点，尤其在低浓度气体的检测中表现出较高的响应性。近年来，研究者们还通过对二硫化钨进行表面修饰或构建异质结结构，如二硫化钨与石墨烯、金属氧化物等复合材料的结合，进一步增强了其气体传感性能。这样的结构不仅提高了传感器的响应速度，还增强了其对不同气体的选择性和稳定性。
晶体结构
二硫化钨的晶体结构由过渡金属层（W原子）夹嵌于两层硫原子（S）层之间所构成的三明治型三层堆叠而成，其中每一层均呈现六方晶格排列，如图1-1（a,b）所示。在该三层堆叠体系中，W原子与S原子之间通过强离子-共价键实现化学键合，而层与层之间则通过较弱的范德华力相互作用维系，这种弱相互作用使得二硫化钨能够通过机械剥离获得单层或少层结构。值得注意的是，多晶型现象是TMDs的固有特征。特别地，二硫化钨的原子结构特征主要取决于过渡金属W原子d轨道的电子填充状态。二硫化钨存在三种典型的晶体堆叠构型（如图1-1（c）所示），分别为1T相、2H相和3R相。其中，1T相具有四方对称性，其过渡金属原子呈现八面体配位构型，d轨道分裂为两个能级：低能级的dxy、dyz、dzx轨道和高能级的dx²-y²、dz²轨道。2H相则表现为六方密堆积结构，过渡金属原子采取三角棱柱配位方式，而3R相属于菱形对称结构。在2H和3R相中，过渡金属的d轨道进一步分裂为三个能级：dz2、dx2-y2、dxy以及dyz、dzx。值得注意的是，对于单层二硫化钨薄膜而言，2H相是最为稳定且普遍存在的晶体结构。除上述常见的1T、2H和 3R相外，二硫化钨还存在一种1T′相结构，该相因其独特的拓扑绝缘特性而在凝聚态物理和材料科学领域引起了广泛的研究兴趣[1]。
基本性质
二硫化钨具有三角棱柱晶体结构，其单层由六方密排的W原子层夹在两个六方密排的S原子层之间构成。单层WS₂的厚度为3.2Å，而多层WS2之间的层间距为2.96Å。通过单晶电子衍射测定，其晶格常数a为3.154Å。在单层内部，W-W、S-S和W-S之间通过强共价键结合，而相邻层之间则由弱范德华力维系。其原胞由一个W原子和两个S原子组成，呈三角棱柱配位构型。表1-1总结了单层二硫化钨、块体二硫化钨的物理特性参数。其中，单层和块体二硫化钨的带隙与介电常数值均基于理论计算获得。块体二硫化钨的电子亲和能参考值为4.5 eV。研究表明，当过渡金属二硫族化合物单层与块体材料在能带对齐时，单层材料的导带位置相较于块体材料的导带向下偏移约0.2eV。基于此，单层二硫化钨的电子亲和能取值为4.7eV。此外，近期研究结果表明，二硫化钨的电子迁移率可达到234cm2·V-1·s-1的高值。
研究现状
自2004年发现石墨烯以来，研究者对二维材料的气敏性能进行了大量研究，报道了许多关于气体吸附和其他表面修饰的影响的研究，如异质结和缺陷对磁性、光学、二维材料的电子性质。 赵等人（中国，大连交通大学）利用DFT研究了金属掺杂单层二硫化钨对气体分子（CO、CO2、NH3）的吸附行为，发现金属掺杂使二硫化钨表现为n型半导体，且CO、CO2、NH3的吸附位点位于金属原子邻近区域。掺杂显著增强了基底与气体分子轨道的杂化作用，促进了电荷转移，增强了吸附作用，且Cu/WS2和Ag/WS2在加热后能够实现快速解吸。研究表明，Cu/WS2具备作为高可靠性CO传感器的潜力。张等人（中国，海南电网有限责任公司电力科学研究院）基于第一性原理计算，研究了Ru掺杂的MoS2（Ru-MoS2）材料对SF6分解气体SO2F2和H2S的吸附性能，结果表明SO2F2和H2S在Ru-MoS2上的吸附能分别为-1.52eV和-2.11eV，均为化学吸附，且H2S的吸附性能较强。带结构和态密度分析进一步证明，Ru掺杂显著改善了MoS2的电导性，并增强了其对气体的灵敏度。赵（Zhao）等人（中国，西南大学）研究了Cr掺杂二硫化钨对农业温室内有害气体（NH3、SO2、NO、NO2、CO）的吸附行为。Cr掺杂显著提升了二硫化钨的导电性，并促使部分气体的吸附从物理吸附转为化学吸附，表明Cr-WS2适合用于气体传感器和清除剂，尤其在高温条件下对SO2、NO和NO2具有更好的吸附能力。De等人（印度，印度理工学院）采通过低能氩离子束辐照二硫化钨纳米片，发现辐照能显著增强其氨气传感能力，响应时间和恢复时间显著缩短。DFT 计算表明，硫空位在氨气吸附中起决定性作用，表明离子束辐照能有效优化二硫化钨的气体传感性能，为开发高性能传感器提供了新思路。在Park等人（德国，德国弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所）采用飞秒激光辐照和CuO修饰的方法显著提升了WS2-WO3异质结对H2S气体的响应和选择性。该研究为开发低温、高灵敏度的H2S气体传感器提供了新的途径[1]。
参考文献
[1] 高轲玮. 二硫化钨表面气体吸附特性的第一性原理研究[D]. 西安:西安石油大学,2025.