Die potenzielle Anwendung von BAs für einen Gassensor zum Nachweis von SO2-Gasmolekülen:eine DFT-Studie

Einführung

BAs (hexagonales Borarsenid) besteht aus Elementen der Gruppen III und V. Die Gruppen der III–V-Elemente haben ausgezeichnete Eigenschaften, wie ausgezeichnete photoelektrische Eigenschaften, mechanische Eigenschaften und eine große Bandlücke [1]. Die vielversprechenden Anwendungsmöglichkeiten von 2D-Materialien [2,3,4,5] wurden in neueren Studien gut dokumentiert [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ,20]; diese Materialien wurden verwendet, um verschiedene Biomoleküle [21, 22], Schadstoffe [23, 24] und Gasmoleküle [25, 26] zu erkennen, um geeignete Sensoren zu entwickeln. Wir hatten immer mehr die Gruppen der III–V-Elementmaterialien gefunden, zum Beispiel BN, AlN, GaN, GaAs und BP, und es gibt immer mehr Studien für die Gasmoleküle durch theoretische Berechnungen. Strak et al. [27] entdeckten, dass AlN(0001) ein leistungsfähiger Katalysator für die Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese von Ammoniak ist, und die Arbeiten bestätigten auch die Möglichkeit einer effizienten Synthese von Ammoniak an der AlN(0001)-Oberfläche. Diaoet al. [28] präsentierte die Adsorption von H₂ O, CO₂ , CO, H₂ , und N₂ auf (10–10) Oberflächen von reinen und Zn-dotierten GaAs-Nanodrähten; die Wirkung der Adsorption von CO₂ und N₂ auf Absorptionskoeffizienten war am größten. Chenget al. [29] zeigten die Adsorption der meisten Gasmoleküle an reinem SP und dotiertem SP anhand einer ersten prinzipiellen Untersuchung und kamen zu dem Schluss, dass N-BP besser als Gassensor für SO₂ . geeignet ist , NEIN und NEIN₂ aufgrund der Existenz des Desorptionsprozesses. Kamaraj und Venkatesan [30] untersuchten die Struktur und die elektronischen Eigenschaften der BAs mittels DFT und LDA; Obwohl bei der experimentellen Synthese und theoretischen Untersuchung von BAs beträchtliche Fortschritte erzielt worden waren, statteten die Ergebnisse der BAs-Nanoblätter das System mit vielversprechenden Anwendungen in der Nanoelektronik und Photovoltaik aus.

In dieser Arbeit haben wir zunächst die Gassensoreigenschaften untersucht, um die Möglichkeiten von BAs als Gassensoren durch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) voll auszuschöpfen. Wir haben die Adsorptionseigenschaften atmosphärischer Gase vorhergesagt (z. B. CO₂ , O₂ , N₂ , H₂ O, NEIN, NEIN₂ , NH₃ , CO und SO₂ ) zu BAs auf der Grundlage von First-Principles-Berechnungen. Unsere Arbeit zeigte das scheinbare Adsorptionsverhalten, moderate Ladungstransfers und einzigartige Transmissionseigenschaften von SO₂ Adsorption an BAs. Die Ergebnisse legten nahe, dass einlagige BAs ein großes Potenzial für SO₂ . besitzen Sensoranwendung.

Theorie und Methode der Simulation

Das System wurde als 4 × 4-Superzelle aus BAs und darauf adsorbierten atmosphärischen Gasmolekülen modelliert. In DMol ³ [31] Berechnungsverfahren wurden Austauschkorrelationsfraktionen innerhalb eines General Gradient Approximation (GGA) mit dem Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) berechnet [32]. Die Brillouin-Zone wurde unter Verwendung eines 5 × 5 × 1 Monkhorst-Pack-K-Punkt-Gitters und einer Methfessel-Paxton-Verschmierung von 0,01 Ry beprobt. Alle Atomstrukturen wurden entspannt, bis die Gesamtenergie und die Hellmann-Feynman-Kraft auf 1.0 × 10 ⁻⁵ . konvergierten eV und 0,06 eV/Å [33].

Um die Wechselwirkung zwischen Gasmolekülen und Adsorptionsschichtoberfläche zu bewerten, berechneten wir die Adsorptionsenergie (E _Anzeige ) von adsorbierten Systemen, die definiert wurde als:

wo E _{BAs + Gasmolekül} ist die Gesamtenergie des BAs-adsorbierten Systems, E _BAs ist die Energie von BAs und E _Gasmolekül ist die Energie eines Gasmoleküls. Alle Energien wurden für optimierte Atomstrukturen berechnet. Der Ladungstransfer wurde durch Mullikens Populationsanalyse untersucht.

Ergebnis und Diskussion

In dieser Arbeit wurden drei Adsorptionsstellen für BAs betrachtet, nämlich die Spitze eines Boratoms (B), die Spitze eines Arsenatoms (As) und das Zentrum eines hexagonalen B-As (Mitte), wie in Abb. 1a . gezeigt . Wir haben das Vorhandensein der Atmosphäre untersucht und den besten Gassensor gefunden.

a Schematische Ansicht der Top-Sites und der Center-Site auf BAs. b Die DOS der BAs

Zunächst wurde die geometrische Struktur der reinen BAs-Monoschicht optimiert, und wie in Abb. 1b gezeigt, betrug die BAs-Bindungslänge 1.967 Å. In der Bandstruktur des BAs-Faltblatts war eine indirekte Bandlücke von 1.381 eV zu erkennen, die kleiner war als die der Volumenstruktur. Diese Werte stimmten gut mit den zuvor gemeldeten Werten überein (Abb. 2) [34, 35].

Die energetisch günstigsten Adsorptionskonfigurationen der Gasmoleküle:N₂ (a ), O₂ (b ), CO₂ (c ), H₂ O (d ), CO (e ), NEIN (f ), NO₂ (g ), NH₃ (h ) und SO₂ (ich ) auf Monolayer-BAs

Inzwischen hatten wir die Adsorptionsenergie, den Ladungstransfer und den Abstand zwischen den Molekülen und der BAs-Oberfläche analysiert. Das Endergebnis ist in Tabelle 1 dargestellt.

N ₂ Adsorption: Adsorption von N₂ Gasmolekül auf BAs wurde für drei Konfigurationen von N₂ . untersucht /BAs, d.h. Oberseite des B-Atoms, Oberseite des As-Atoms und das Zentrum eines hexagonalen Rings über der BAs-Oberfläche, und der nächste Abstand betrug 3.764 Å, 3.549 Å und 3.65 Å und die entsprechende Adsorptionsenergie war − 0.24 eV, − 0.27 eV bzw. − 0,24 eV. Das Zentrum hatte die beste Adsorptionsenergie und die stabilste Struktur. Die Adsorptionsenergie von N₂ BAs war −0,24 eV, der Ladungstransfer von BAs zu N ² Gasmolekül war 0,014e, und der Abstand der N2-BAs betrug 3,65 . Abb. 3a zeigte, dass es viele Linien unter dem Fermi-Energieniveau gab und die entsprechende Zustandsdichte mehrere Spitzen unter dem Fermi-Energieniveau aufwies. Wie in der Abbildung gezeigt, ist der N₂ Gasmolekül hatte vier Peaks, die einen gewissen Einfluss auf BAs hatten, hauptsächlich von − 5 bis 0 eV, und große Beiträge zur DOS hatten. Insgesamt ist die Wirkung von N₂ Die Adsorption von Gasmolekülen auf BAs war schlecht.

Zustandsdichte (DOS) von N₂ /BAs (a ), O₂ /BAs (b ), CO₂ /BAs (c ), H₂ O/BAs (d ), CO/BAs (e ), NO/BAs (f ), NO₂ /BAs (g ), NH₃ /BAs (h ) und SO₂ /BAs (i )

O ₂ Adsorption: O₂ Gasmoleküle neigten dazu, am zentralen Punkt zu adsorbieren. Die Adsorptionsenergie von O₂ /BAs war − 0.35 eV, und der Abstand von O₂ -BAs war 2,90 . Die Gesamtbandstruktur und DOS für O₂ /BAs wurden in Abb. 3 aufgetragen. Es war offensichtlich, dass eine zusätzliche Linie den Nullpunkt kreuzte und die Bandlücke verringerte; O₂ Gasmoleküls hatte einen Peak bei − 1 bis 0 eV und hatte einen Einfluss auf die Zustandsdichte oberhalb des Fermi-Niveaus. Die Populationsanalyse für den Mulliken-Ladungstransfer zeigte, dass − 0.172e von der BAs-Oberfläche auf das O₂ . übertragen wurde Gasmolekül, was darauf hindeutet, dass O₂ Gasmoleküle fungierten als Akzeptor. Im Allgemeinen ist die O₂ Gasmoleküladsorption auf BAs war besser als N₂ .

CO ₂ Adsorption: CO₂ Gasmoleküle neigten dazu, oben auf dem As-Atom zu adsorbieren. Die Adsorptionsenergie von CO ² /BAs war −0,28 eV, der Ladungstransfer von BAs zu CO ² Gasmolekül war −0.018e, und der Abstand des CO ² -BAs war 3,55 Å. Wie in Abb. 3 gezeigt, hatte die Struktur im Vergleich zu unberührten BAs keine offensichtliche Änderung, und es gab einige offensichtliche Wellenberge der Energie von − 9 eV in DOS, die einen großen Beitrag zur DOS leisteten. Dieser Punkt hat auch die Adsorption von CO₂ . hervorgehoben Gasmolekül durch BAs. Die Ergebnisse zeigten, dass der Adsorptionseffekt und die Empfindlichkeit von BAs gegenüber CO₂ Gasmolekül waren allgemein.

H ₂ O-Adsorption: H₂ O-Gasmoleküle neigten dazu, oben auf dem As-Atom zu adsorbieren. Die Adsorptionsenergie von H ² O/BAs war −0,38 eV, der Ladungstransfer von BAs zu H ² O-Gasmolekül war −0.03e, und der Abstand von H ² O-BAs betrug 3,63 Å. Wie in Abb. 3 gezeigt, gab es keine großen Veränderungen in der Struktur im Vergleich zu unberührten BAs. Das Fermi-Niveau von Al-G stieg offensichtlich an und bewegte sich in das Valenzband. Im Allgemeinen ist die H₂ Die Adsorption von O-Gasmolekülen an BAs wurde ignoriert.

CO-Adsorption: Das CO-Gasmolekül neigte dazu, oben auf dem As-Atom zu adsorbieren. Die Adsorptionsenergie von CO/BAs betrug −0,27 eV, der Ladungstransfer von BAs auf das CO-Gasmolekül betrug −0,024e und der Abstand der CO-BAs betrug 3,50 . Die Gesamtzustandsdichte (DOS) und die Bandstruktur für BAs-CO wurden in Abb. 3 aufgetragen. CO-Gasmolekül und As-Atom spielten eine große Rolle bei der Wirkung eines Peaks von 3 bis 4 eV auf die DOS. Es gab jedoch keine Abweichung der DOS im Bereich von − 7 bis 4 eV, was darauf hindeutet, dass CO wöchentlich an BAs adsorbiert wurde. Es gab einen offensichtlichen Wellenberg der Energie von − 3 bis 1 eV und 3 eV, der große Beiträge zur DOS hatte. Die Populationsanalyse für den Mulliken-Ladungstransfer zeigte, dass eine Ladung von − 0.024e von der BAs-Oberfläche auf das CO-Gasmolekül übertragen wurde, und legte nahe, dass das CO-Gasmolekül als Akzeptor fungiert. Insgesamt war die Wirkung der CO-Gasmoleküladsorption auf BAs nicht besonders.

KEINE Adsorption: NO-Gasmoleküle neigten dazu, oben auf dem B-Atom zu adsorbieren. Die Adsorptionsenergie von NO/BAs betrug – 0,18 eV, der Ladungstransfer betrug – 0,01e vom NO-Gasmolekül zu BAs und der Abstand der NO-BAs betrug 2,86 Å. Es gab viele Linien auf dem Fermi-Energieniveau. Es stellte sich heraus, dass die Energielücke im mittleren Band den Bandlückenwert reduziert. Aus dem Zustandsdichtediagramm ergab sich ein zusätzlicher Wellenpeak oberhalb des Fermi-Energieniveaus, aber es gab nur eine geringe Änderung unterhalb des Fermi-Energieniveaus, relativ stabil in Abb. 3. Die Vermischung der Orbitale verursachte einen geringen Ladungstransfer und eine Umverteilung über die wechselwirkenden Region. Die Populationsanalyse für den Mulliken-Ladungstransfer zeigte, dass eine Ladung von 0,01e von der BAs-Oberfläche auf das NO-Molekül übertragen wurde, was darauf hindeutet, dass NO als Donor fungiert. Es gab keine Abweichung der DOS im Bereich von − 7 bis 4 eV, was darauf hindeutet, dass NO wöchentlich an BAs adsorbiert wurde.

NEIN ₂ Adsorption: NEIN₂ Gasmoleküle neigten dazu, oben auf dem As-Atom zu adsorbieren. Die Adsorptionsenergie von NO₂ /BAs war − 0.43 eV, und der Abstand von NO₂ -BAs war 2,47 . Das Interessante war, dass der Nullpunkt in der Bande direkt nach der Adsorption von NO₂ . eine gerade Linie kreuzte Gasmolekül, was bedeutete, dass das BAs, ein Halbleiter, in das Goldattribut umgewandelt wurde; die Bandlücke betrug 0 eV. Es gab keine große Änderung im Ganzen, und es wurde ein Peak bei etwa − 3 eV aufgrund von NO₂ . erzeugt Gasmolekulare Adsorption. Es gab einen offensichtlichen Wellenberg der Energie von − 7 eV und 2 eV, der große Beiträge zur DOS hatte. Im Allgemeinen ist die Adsorption von NO₂ von BAs war besser als die einiger oben genannter Moleküle.

NH ₃ Adsorption: NH₃ Gasmoleküle neigten dazu, oben auf dem As-Atom zu adsorbieren. Die Adsorptionsenergie von NH ³ / BA war -0,34 eV, der Ladungstransfer von NH ³ Gasmoleküls zu BA betrug 0,007e, und der Abstand von NH ³ -BA war 3,27 Å. Es gab keine klare Änderung im Energieband und in der Zustandsdichte, außer dass es einen offensichtlichen Peak der Adsorption von NH₃ . gab Gasmolekül unterhalb des Fermi-Niveaus. Das NH₃ Gasmolekül hatte einen geringen Einfluss auf BAs bei − 8 bis − 4 eV und bildete einen 15 eV-Peak. Der Adsorptionseffekt und die Empfindlichkeit seiner BAs gegenüber NH₃ Gasmolekül waren allgemein.

SO ₂ Adsorption: SO₂ Gasmolekül neigte dazu, am zentralen Punkt zu adsorbieren, die Adsorptionsenergie von SO₂ /BAs war − 0.92 eV, und die Populationsanalyse für Mulliken-Ladungstransfer zeigte, dass − 0.179e Ladung von der BAs-Oberfläche auf das SO₂ . übertragen wurde Gasmolekül, was darauf hindeutet, dass SO₂ Gasmolekül wirkt als Akzeptor. Der Abstand des SO₂ /BAs war 2,46 Å. Im Vergleich zu anderen Gasmolekülen ist das SO₂ /BAs hatten die größte Adsorptionsenergie, den zweitgrößten Elektronentransfer und den kürzesten Abstand des SO₂ -BAs. Wie in Abb. 3 gezeigt, hatte das Valenzband von BAs einen offensichtlichen Anstieg und eine verringerte Bandlücke, und aufgrund des adsorbierten SO₂ Gasmoleküls konnte anhand der Zustandsdichte festgestellt werden, dass es einen weiteren Wellenpeak bei − 7.5 eV und einen gewissen Transfer auf dem Fermi-Niveau gab. Die Adsorption von SO₂ von BAs hatte die ausgezeichnete Wirkung.

Abb. 4i zeigt das Elektronendichtediagramm von SO₂ /BAs und die lokale Elektronenüberlappung zwischen BAs und SO₂ Gasmolekül. Auf dieser Grundlage zogen wir den Schluss, dass die Adsorption von SO₂ durch BAs war physikalische Adsorption. Die in Abb. 5 gezeigte Berechnung von WF war von großer Bedeutung, um die Möglichkeit zu untersuchen, die elektronischen und optischen Eigenschaften (wie Absorptionsspektren und Energieverlustfunktionen) durch Adsorption kleiner Moleküle zu regulieren. Die Austrittsarbeit wurde in der Festkörperphysik als die minimale Energie definiert, die erforderlich ist, um ein Elektron aus dem Inneren eines Festkörpers an die Oberfläche des Objekts zu bewegen. Die Austrittsarbeit von reinen BAs betrug 4,84 eV. NO und NH₃ Gasmoleküle waren Donatoren beim Ladungstransfer, und ihre Austrittsarbeit nahm ab; die Austrittsarbeit betrug 4,80 eV bzw. 4,68 eV. Die Austrittsarbeit von N₂ /BAs, CO₂ /BAs und CO/BAs war das gleiche wie bei BAs. Die Austrittsarbeit von O₂ /BAs, NO₂ /BAs und SO₂ /BAs war höher als BAs. In Kombination mit der obigen Adsorptionsenergie, dem Abstand der Gasmoleküle und der BAs-Oberfläche, dem Ladungstransfer und der Austrittsarbeit fanden wir heraus, dass SO₂ Gasmolekül war am besten geeignet für BAs-Materialien.

Elektronendichte für reines N₂ /BAs (a ), O₂ /BAs (b ), CO₂ /BAs (c ), H₂ O/BAs (d ), CO/BAs (e ), NO/BAs (f ), NO₂ /BAs (g ), NH₃ /BAs (h ) und SO₂ /BAs (i )

Austrittsarbeit von BAs N₂ /BAs, O₂ /BAs, CO₂ /BAs, H₂ O/BAs, CO/BAs, NO/BAs, NO₂ /BAs, NH₃ /BAs und SO₂ /BAs

Schlussfolgerung

Wir haben die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von BAs mit den Adsorbentien N₂ . vorgestellt , O₂ , CO₂ , H₂ O, CO, NEIN, NEIN₂ , NH₃ , und SO₂ Gasmolekül, unter Verwendung der Methode der Dichtefunktionaltheorie. In der Adsorptionsenergie ist SO₂> NEIN₂> H₂ O > O₂> NH₃> CO₂> CO > N₂> NO und SO₂ < NEIN₂ < NEIN2 < NH₃ < CO < CO₂ < H₂ O < N₂ in der Adsorptionsstrecke. NEIN₂ hat das größte Q und Austrittsarbeit, möglicherweise könnte sie von dem vorgeschlagenen Material aufgrund der guten elektrischen Reaktion erkannt werden. SO₂ Das Gasmolekül hatte die beste Adsorptionsenergie, den kürzesten Abstand zwischen Gasmolekül und BAs-Oberfläche und einen gewissen Ladungstransfer. In Kombination mit der obigen Adsorptionsenergie, dem Abstand des Gasmoleküls und der BAs-Oberfläche, dem Ladungstransfer und der Austrittsarbeit zeigen der Strom und die durch die Adsorption induzierte Stromänderung von BAs starke anisotrope Eigenschaften. Diese Empfindlichkeit und Selektivität gegenüber SO₂ Gasmoleküladsorption machen BAs zu einem begehrten Kandidaten als überlegener Gassensor.

Abkürzungen

BAs:

Hexagonales Borarsenid

DOS:

Dichte der Zustände

WF:

Arbeitsfunktion