片上集成系统在通过在小体积内实现多种功能满足下一代系统的要求，其体积更小，重量更轻，功能更多的优点为便携式设备提供了一种发展思路，例如无线传感器网络、可植入式医疗设备等可以通过功能器件与超级电容器集成实现集成系统自供电，确保功能器件的能量供应。片上微型超级电容器因为其高比电容，大功率密度，长循环寿命，较小的体积和独特的叉指结构更适合应用于集成系统中。二维材料因为其具有的大比表面积等众多优异的理化性质而成为电化学能量存储和气体传感应用的极佳候选材料。

在论文中，作者通过一步溶剂热法制备出1T/2H-MoS₂/石墨烯渔网管(GFT)混合材料，以及非金属图形剥离和掩模旋涂的方法制备集成系统。1T/2H-MoS₂/ GFT混合三维立体纳米结构为K⁺离子提供了短扩散路径和更多活性位点。1T-MoS₂较大的层间距促进了离子的快速的可逆扩散且更有利于K⁺离子的嵌入与脱出，因此片上微型超级电容器具有出色的电化学性能，在0.1 F·cm^-2（扫描速率为1 mV·s^-1）的面电容。由第一性原理推导得出，当吸附氨分子时2H-MoS₂的电导率变化证明了费米能级变化理论。1T-MoS₂和2H-MoS₂之间的接触被认为是欧姆接触，相比于2H-MoS₂和金属之间的接触更有利于电子传输。因此，1T-MoS₂和GFT提供了一个更佳的电子传输通道，以增强2H-MoS₂和金属之间的电子导电性。在微型超级电容器的驱动下，气体传感器在室温（27°C）下的气体响应度可达到55.7％。

图1 集成系统制备示意图及工作原理示意图

图2 （a）1T/2H-MoS₂/ GFT拉曼表征，（b）1T/2H-MoS₂/ GFT XRD表征，（c-f）1T/2H-MoS₂/ GFT XPS表征

图3 （a-e）1T/2H-MoS₂/ GFT SEM表征以及EDS mapping 图，（f）1T/2H-MoS₂/ GFT TEM表征

图4 （a）2H-MoS₂电容CV曲线，（b）1T/2H-MoS₂/ GFT 电容CV曲线，（c）1T/2H-MoS₂/ GFT 充放电曲线，（d）不同材料电容CV曲线比较，（e）不同材料电容EIS曲线比较，（f）bench mark 图

图5 （a）第一性原理计算吸附不同数量氨气分子电阻率变化，（b）能带变化示意图，（c）在不同氨气浓度下的器件电阻率变化，（d-e）在不同氨气浓度下的器件响应度变化

作者简介：

郝跃教授，中国科学院院士，微电子学专家。郝跃院士长期从事新型宽禁带半导体材料和器件、微纳米半导体器件与高可靠集成电路等方面的科学研究与人才培养。在氮化镓∕碳化硅第三代半导体功能材料和微波器件、半导体短波长光电材料与器件研究和推广、微纳米CMOS器件可靠性与失效机理研究等方面取得了系统的创新成果

张进成教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家万人计划领军人才。发表SCI论文300余篇，SCI他引3000余次，授权发明专利80余项。相关成果6次被国际半导体行业著名杂志Semiconductor Today专题报道。

王东，副教授。主要从事宽带隙半导体材料与器件生长、表征与应用，以及类石墨烯二维功能材料与器件方面的研究工作，目前发表论文13篇。

宁静，副教授。目前发表论文50余篇，研究成果已申请发明专利共25项、授权专利14项，美国专利1项。

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