Rh-dotierte MoTe2-Monoschicht als vielversprechender Kandidat für das Aufspüren und Auffangen von SF6-zersetzten Arten:eine DFT-Studie

Einführung

SF₆ Isolationsvorrichtungen in Hoch- und sogar Ultrahochspannungsnetzen sind eine Art der wichtigsten und teuersten Ausrüstungen [1,2,3], mit Ausnahme von elektrischen Transformatoren [4, 5], um den sicheren Betrieb des gesamten Systems zu gewährleisten. Diese Beiträge sind auf die starke Lichtbogenlöscheigenschaft und die hohe Elektronegativität von SF₆ . zurückzuführen Gas, das sich in solchen Geräten als Isoliermedium verhält [6]. In einem langjährigen SF₆ durch die Kraft der Teilentladung, die durch unvermeidliche innere Defekte der Ausrüstung verursacht wird, noch in mehrere fluorarme Sulfide zerlegt werden [7, 8]. Darüber hinaus interagieren diese Nebenprodukte weiter mit den umgebenden Spuren von Wasser und Sauerstoff und bilden einige stabile Chemikalien wie SO₂ . , SOF₂ , und SO₂ F₂ und stattdessen verschlechtert sich das Isolationsverhalten von SF₆ [9]. Daher wurde der Nachweis dieser zersetzten Arten als wirksame Methode angesehen, um den Zersetzungsstatus von SF₆ . zu bewerten und um den Betriebsstatus der zugehörigen Isolationsgeräte widerzuspiegeln [10].

Mit der wachsenden Aufmerksamkeit von Übergangsmetalldichalkogeniden (TMDs), MoS₂ -basierte Sensoren wurden zur Erkennung von SF₆ . vorgeschlagen zersetzte Arten [11,12,13]. Diese Berichte haben die Angemessenheit und Überlegenheit von Übergangsmetall (TM)-dotiertem MoS₂ . gezeigt Monolayer für Sensorkomponenten einschließlich SO₂ und SOF₂ . Außerdem eine theoretische Studie über die Sensoreigenschaften von unberührtem MoTe₂ Monoschicht auf SF₆ zersetzte Spezies beweist ihre Eignung zur Messung von SO₂ [14]. Darüber hinaus beschleunigen die jüngsten Fortschritte bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), die für die großtechnische Synthese von TMDs verwendet wird, die Entwicklung von MoTe₂ . erheblich Monolayer für Gassensoranwendungen [15,16,17]. Wie berichtet, MoTe₂ Monolayer besitzt eine hervorragende Ladungsträgermobilität, eine große Bindungslänge und eine niedrige Bindungsenergie, was ihm eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Gaswechselwirkungen bei Raumtemperatur verleiht [18]. Daher ist es hoffnungsvoll, dass MoTe₂ Monolayer ist ein vielversprechender Kandidat für die Gassensorik und ihre Anwendung zum Nachweis von SF₆ zersetzte Arten sollten weiter erforscht werden.

Es ist gut bewiesen, dass TM-dotierte 2D-Nanomaterialien im Vergleich zu unberührten Oberflächen eine stärkere Adsorptionsleistung und ein stärkeres Sensorverhalten auf gasförmigen Molekülen aufweisen [19,20,21,22]. Dies liegt an der bewundernswerten chemischen Aktivität und dem katalytischen Verhalten von TM, dessen d Orbital kann stark mit diesen adsorbierten Molekülen hybridisieren, was die Chemisorption erleichtert und den Ladungstransfer vergrößert [23,24,25]. Wenn es um das MoTe₂ geht Monolayer, nach unserem besten Wissen gibt es nur wenige theoretische Berichte über das TM-Dotierungsverhalten seiner Monolayer; inzwischen verwandte Adsorptions- und Sensorverhalten von TM-dotiertem MoTe₂ Monolayer auf Gasen sind ebenfalls weniger erforscht. Unter den TM-Elementen hat sich Rhodium (Rh) mit starker katalytischer Leistung als wünschenswerter TM-Dotierstoff auf anderen Nanooberflächen für die Gasadsorption erwiesen [26, 27]. Vor allem Ref. [26] untersucht das Rh-Dotierungsverhalten auf dem MoSe₂ Monolayer und seine verbesserte Leistung für die Adsorption toxischer Gase. In dieser Hinsicht wäre es interessant, das Rh-Dotierungsverhalten auf dem weniger erforschten MoTe₂ . anhand der First-Principles-Theorie zu untersuchen Monolayer, um ihre geometrischen Eigenschaften zu vergleichen und ein besseres Verständnis der Rh-Dotierung auf den TMDs zu ermöglichen. Darüber hinaus sind die Adsorptions- und Sensorleistung von Rh-dotiertem MoTe₂ (Rh-MoTe₂ ) Monoschicht auf drei SF₆ zersetzte Spezies, nämlich SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂ , wurden ebenfalls theoretisch simuliert, um ihre potenzielle Sensoranwendung in einigen typischen Bereichen zu untersuchen. Das elektronische und optische Verhalten von Rh-MoTe₂ Monoschicht nach Gasadsorption bieten die grundlegenden Sensormechanismen für ihre Erforschung als Widerstandssensor oder optischer Gassensor, um den Nachweis von SF₆ . zu realisieren zersetzte Arten. Das Desorptionsverhalten belegt das Potenzial von Rh-MoTe₂ Monolayer als Gasfänger zur Entfernung dieser schädlichen Gase in SF₆ Isolationseinrichtungen, die unter anderem den sicheren Betrieb des Stromnetzes garantieren. Diese Arbeit wäre sinnvoll, um ein neues Nanosensormaterial und seine Anwendung zur Bewertung des Betriebsstatus von SF₆ . vorzuschlagen Isoliergeräte einfach und hocheffizient.

Rechentechnische Details

Alle Ergebnisse wurden in Dmol ³ . erhalten Paket [28] basierend auf der First-Principles-Theorie. Die von Grimme vorgeschlagene DFT-D-Methode wurde verwendet [29], um die Van-der-Waals-Kraft und weitreichende Wechselwirkungen besser zu verstehen. Die Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)-Funktion mit generalisierter Gradienten-Approximation (GGA) wurde verwendet, um die Elektronenaustausch- und Korrelationsterme zu behandeln [30]. Als Atomorbitalbasissatz wurde Double Numerical Plus Polarization (DNP) verwendet [31]. Das Monkhorst-Pack k -Punktnetz von 7 × 7 × 1 wurde für die Optimierung der Superzellengeometrie definiert, während ein genaueres k -Punkt von 10 × 10 × 1 wurde für Elektronenstrukturberechnungen gewählt [32]. Die Genauigkeit der Energietoleranz, die maximale Kraft und die Verschiebung wurden als 10 ^– 5 . ausgewählt Ha, 2 × 10 ^− 3 Ha/Å und 5 × 10 ^− 3 Å [33] bzw. Für statische elektronische Strukturberechnungen, selbstkonsistente Schleifenenergie von 10 ^− 6 Ha, der globale Orbital-Cut-off-Radius von 5,0 , um genaue Ergebnisse der Gesamtenergie zu gewährleisten [34].

Ein MoTe₂ Es wurde eine Monoschicht mit einer Superzelle von 4 × 4 und einem Vakuumbereich von 15 Å mit 16 Mo- und 32 Te-Atomen erstellt, um die gesamte folgende Berechnung durchzuführen. Es wurde bewiesen, dass eine 4 × 4-Superzelle groß genug ist, um den Gasadsorptionsprozess durchzuführen, während eine 15 -Platte geeignet ist, die Wechselwirkung zwischen benachbarten Einheiten zu verhindern [35]. Abgesehen davon wurde in dieser Arbeit die Hirshfeld-Methode [36] verwendet, um die Atomladung des Rh-Dotierstoffes (Q _Rh ) und molekulare Ladung von adsorbierten Molekülen (Q _T ). Daher ist ein positiver Wert von Q _Rh (Q _T ) bedeutet, dass der Rh-Dotierstoff (Gasmolekül) ein Elektronendonator ist, während ein negatives Q _Rh oder Q _T zeigt das zugehörige Elektronenakzeptanzverhalten an. Nur die günstigsten Konfigurationen von Rh-MoTe₂ Monolayer- und Adsorptionssysteme werden in den folgenden Teilen aufgetragen und analysiert.

Ergebnisse und Diskussion

Analyse von Rh-MoTe₂ Monoschicht

Bei Rh-MoTe₂ Monoschicht, vier mögliche Adsorptionsstellen werden in Betracht gezogen, verfolgt als T_H (über der Mitte des sechseckigen Rings von MoTe₂ ), T_Mo (an der Spitze des Mo-Atoms), T_Te (an der Spitze des Te-Atoms) und T_B (die Brückenstelle zwischen zwei Te-Atomen). Die Bindungsenergie (E _b ) für die Rh-Dotierung auf das MoTe₂ Monolayer ist formuliert als:

wobei\( {E}_{\mathrm{Rh}\hbox{-} {\mathrm{MoTe}}_2} \),E _Rh , und\( {E}_{{\mathrm{MoTe}}_2} \)repräsentieren die Energien des Rh-MoTe₂ Monoschicht, Rh-Atome und reines MoTe₂ Monoschicht bzw..

Basierend auf dieser Definition ist die stabilste Konfiguration (MSC) mit dem niedrigsten E _b im Einklang mit der zugehörigen Elektronendeformationsdichte (EDD) von Rh-MoTe₂ Monolayer ist in Abb. 1 dargestellt. Man sieht, dass der Rh-Dotierstoff auf dem T_Mo . gefangen ist Bildung von drei kovalenten Bindungen mit benachbarten Te-Atomen auf der oberen Schicht von MoTe₂ Monoschicht. Drei Rh-Te-Bindungen werden mit 2.54 Å gemessen, kürzer als die Summe der kovalenten Radien von Rh- und Te-Atomen (2.61 Å [37]), was die Bildung chemischer Bindungen für die Rh-Dotierung auf dem MoTe_{2 Schicht. Das berechnete E b dieser Konfiguration ist − 2.69 eV, viel größer als die von − 2.14 eV für TH Ort, − 1,28 eV für TTe Ort und − 2,55 eV für TB Seite? ˅. Es ist erwähnenswert, dass die Rh-Te-Bindungen in Rh-MoTe2 Monolayer sind länger als die von Rh-Se-Bindungen in Rh-MoSe2 Monoschicht und das E b für Rh-Dotierung ist auf dem MoTe2 . kleiner Oberfläche im Vergleich zu der von MoSe2 Gegenstück. Diese weisen auf die stärkere Bindungskraft von Rh-Se- als Rh-Te-Bindungen hin. Basierend auf der Hirshfeld-Methode verhält sich der Rh-Dotierstoff während des Dotierprozesses wie ein Elektronenakzeptor, der 0,045 e vom MoTe2 . erhält Oberfläche, die ihr elektronenannehmendes Verhalten bei der Oberflächendotierung beweist [26]. Dies stimmt mit der EDD überein, in der das Rh-Atom hauptsächlich von Elektronenansammlungen umgeben ist.}

Die MSC (a ) und zugehörige EDD (b ) von Rh-MoTe₂ Monoschicht. In EDD zeigen die grünen (rosafarbenen) Bereiche eine Elektronenansammlung (Verarmung) an. Die Isofläche beträgt 0,005 e/Å ³

Bandstruktur (BS) und Zustandsdichte (DOS) von Rh-MoTe₂ System sind in Abb. 2 dargestellt, um die verursachte Änderung des elektronischen Verhaltens von MoTe₂ . besser zu verstehen Oberfläche durch Rh-Dotierung. Es wird berichtet, dass das makellose MoTe₂ Monolayer hat eine direkte Bandlücke von 1,10 eV [38]. In Abb. 2a ist die Bandlücke von Rh-MoTe₂ Monolayer wird gemäß den Berechnungen zu 0,937 eV erhalten. Dies weist darauf hin, dass der Rh-Dotierstoff mehrere Störstellenzustände innerhalb der Bandlücke von MoTe₂ . induziert System, wodurch die Bandlücke des gesamten Systems entsprechend verkleinert wird. Außerdem ist die Spitze des Valenzbandes auf dem Г . lokalisiert Punkt und die Unterseite des Leitungsbandes liegt auf dem K Punkt, was die indirekte Halbleitereigenschaft für Rh-MoTe₂ . impliziert System. In Fig. 2b ist zu sehen, dass die Zustände des Rh-Dotierungsmittels stark zum oberen Rand des Leitungsbandes von reinem MoTe₂ . beitragen Monoschicht und bildet mehrere neuartige DOS-Peaks um das Fermi-Niveau. Diese Peaks verändern scheinbar das elektronische Verhalten des gesamten Systems und verringern entsprechend dessen elektrische Leitfähigkeit. Da der Rh-Dotierstoff auf dem T_Mo . gefangen ist ortsbildende Bindungen mit Te-Atomen werden die atomaren DOS von Rh- und Te-Atomen aufgetragen, um das Elektronenhybridisierungsverhalten zwischen ihnen zu verstehen. Wie in Fig. 2c gezeigt, beträgt der Rh 4d Orbital ist stark hybrid mit dem Te 5p Orbital von − 5 bis 2 eV, was die signifikante Bindungswechselwirkung erklärt, die zur Bildung chemischer Bindungen von Rh-Te führt.

a BS von Rh-MoTe₂ Monoschicht; b DOS-Vergleich zwischen reinem und Rh-dotiertem MoTe₂ Monoschicht; und c Orbital-DOS der bindenden Rh- und Te-Atome. Das Fermi-Niveau ist 0

Gasadsorptionskonfigurationen von Rh-MoTe₂ Monoschicht

Basierend auf der entspannten Struktur von Rh-MoTe₂ Monoschicht, die Adsorption von SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂ Moleküle auf seiner Oberfläche um das Rh-Zentrum werden vollständig simuliert. Zuvor sollten auch die geometrischen Strukturen der drei Gasmoleküle optimiert werden, wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S1 gezeigt. Die Adsorptionsenergie (E _Anzeige ) wird verwendet, um die stabilste Konfiguration jedes Systems zu bestimmen, formuliert als:

wobei die \( {E}_{\mathrm{Rh}\hbox{-} {\mathrm{MoTe}}_2/\mathrm{Gas}} \) und \( {E}_{\mathrm{Rh} \hbox{-} {\mathrm{MoTe}}_2} \) sind die Gesamtenergie von Rh-MoTe₂ Monoschicht vor und nach der Adsorption, während E _Gas ist die Energie des isolierten Gasmoleküls. Nach dieser Definition ist die MSC mit dem niedrigsten E _Anzeige identifiziert werden konnte.

Um das Ladungstransferverhalten während der Gasadsorption besser zu verstehen, wird auch EDD für jede Konfiguration berechnet. Detaillierte Informationen zu SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂ Die Adsorption ist in den Fig. 1 und 2 zu sehen. 3, 4 und 5 bzw. Darüber hinaus sind die Adsorptionsparameter einschließlich E _Anzeige , Ladungstransfer (Q _T ) und Bindungslänge (D ) sind in Tabelle 1 aufgeführt.

MSC (a ) und EDD (b ) von Rh-MoTe₂ /SO₂ System. In EDD zeigen die grünen (rosafarbenen) Bereiche eine Elektronenansammlung (Verarmung) mit einer Isofläche von 0,005 e/Å ³ . an

Wie Abb. 3, jedoch für Rh-MoTe₂ /SOF₂ System

Wie Abb. 3, jedoch für Rh-MoTe₂ /SO₂ F₂ System

Für SO₂ Adsorption an Rh-MoTe₂ Monoschicht kann man aus Abb. 3 entnehmen, dass die SO₂ Molekül ist im Wesentlichen parallel zum MoTe₂ Schicht mit einem O-Atom und einem S-Atom, eingefangen durch den Rh-Dotierstoff. Wie in Tabelle 1 aufgeführt, werden die neu gebildeten Rh-O- und Rh-S-Bindungen mit 2,16 bzw. 2,36 gemessen, was die starke Bindungskraft zwischen Rh-Dotierstoff und SO₂ . anzeigt Molekül. Außerdem ist das E _Anzeige wird als − 1.65 eV erhalten, was die Chemisorption für das SO₂ . impliziert System und das Q _T wird als − 0.333 e erhalten, was das elektronenziehende Verhalten von SO₂ . impliziert . Nach der Adsorption ist der Rh-Dotierstoff mit 0,017 e negativ geladen, was bedeutet, dass er 0,028 e zum adsorbierten SO₂ . beiträgt und der andere Teil der Ladung (0,305) kommt vom MoTe₂ Monoschicht. Verglichen mit den Adsorptionsparametern im MoTe₂ /SO₂ System (E _Anzeige =− 0,245 eV; Q _T =− 0.086 e; D =3.44 Å [14]), kann man folgern, dass die Rh-Dotierung das Reaktionsverhalten und die elektronische Umverteilung für das MoTe₂ . stark verbessert Monoschicht auf SO₂ Adsorption, was das Adsorptionsmittel für die Gaswechselwirkung sehr wünschenswert macht. Darüber hinaus sind die S-O-Bindungen im SO₂ Moleküle werden nach der Adsorption separat auf 1,50 und 1,58 verlängert, davon einheitlich 1,48 in der Gasphase; die drei Rh-Te-Bindungen im Rh-MoTe₂ Monolayer werden auf 2,58, 2,58 bzw. 2,64 verlängert. Diese Verformungen implizieren die geometrische Aktivierung während der Adsorption sowohl für Nanoadsorbens als auch für gasförmige Adsorbate, was hier die starke Chemisorption weiter bestätigt. Aus der EDD-Verteilung ergibt sich, dass die SO₂ Molekül ist von Elektronenakkumulation umgeben, was mit der Hirshfeld-Analyse übereinstimmt; und Elektronenakkumulation umgibt größtenteils die Rh-S- und Rh-O-Bindungen, was auf die Elektronenhybridisierung bei der Bildung neuer chemischer Bindungen hindeutet.

Im Rh-MoTe₂ /SOF₂ in Abb. 4 dargestelltes System, das SOF₂ Molekül bevorzugt, sich dem Rh-Dotierstoff durch die Position des O-Endes zu nähern und die Ebene aus dem S-Atom und zwei F-Atomen sind fast parallel zum MoTe₂ Schicht. Es gibt jedoch keine offensichtlichen Hinweise auf die Bildung neuer Bindungen zwischen Rh-Dotierstoff und SOF₂ Molekül. Der nächste Abstand von Rh-O wird mit 2,25 Å gemessen, etwas länger als im SO₂ System und das SOF₂ Molekül erfährt nach der Wechselwirkung keine große geometrische Verformung. Diese Ergebnisse zeigen die relativ schwächere Adsorptionsleistung von Rh-MoTe₂ Monoschicht auf SOF₂ im Vergleich zu SO₂ . Wie in Tabelle 1 dargestellt, ist das E _Anzeige wird als − 0.46 eV berechnet, was wiederum die Physisorption unterstützt [39] und das Q _T wird zu 0,040 e erhalten, was auf das elektronenspendende Verhalten von SOF₂ . hinweist . Laut EDD ist zu erkennen, dass die Elektronenansammlung hauptsächlich im Bereich zwischen den SOF₂ . lokalisiert ist Molekül und Rh-Dotierstoff, was eine gewisse Hybridisierung zwischen ihnen impliziert, während die Elektronenverarmung auf dem SOF₂ Molekül stimmt mit der Hirshfeld-Analyse überein.

In Bezug auf die SO₂ F₂ Adsorptionssystem, wie in Fig. 5 dargestellt, stellt sich heraus, dass nach der Optimierung der SO₂ F₂ Molekül wird tendenziell in ein F-Atom und ein SO₂ . aufgelöst F-Gruppe. Beide werden durch den Rh-Dotierstoff eingefangen, der eine Rh-F-Bindung bzw. eine Rh-S-Bindung mit einer entsprechenden Bindungslänge von 2.02 und 2.26 bildet. Die neu gebildeten Bindungen zeigen die starke Bindungskraft zwischen Rh-Dotierstoff und SO₂ F₂ Molekül, das in Kombination mit dem berechneten E _Anzeige von 2,12 eV belegen die Chemisorptionsnatur einer Rh-dotierten Oberfläche auf SO₂ F₂ Adsorption, ähnlich wie beim SO₂ System. Von der EDD ist die Elektronenansammlung signifikant auf dem SO₂ . lokalisiert F₂ Molekül, in Übereinstimmung mit dem Ergebnis von Q _T (− 0.753 e) basierend auf Hirshfeld-Analyse. Auf der anderen Seite ist eine große Anzahl von Elektronenverarmungen auf dem Rh-Dotierstoff lokalisiert und ein kleiner ist auf dem MoTe₂ Monoschicht. Mit anderen Worten, der Rh-Dotierstoff trägt stark zum Ladungstransfer auf das adsorbierte SO₂ . bei F₂ Molekül, das seine hohe Elektronenmobilität und starke chemische Reaktivität manifestiert [40]. Gleichzeitig deutet die Überlappung von Elektronenakkumulation und Elektronenverarmung an den Rh-S- und Rh-F-Bindungen auf die Elektronenhybridisierung bei ihrer Bildung hin.

Basierend auf der Analyse der Adsorptionskonfiguration und -parameter kann man schließen, dass das Rh-MoTe₂ Monolayer besitzt die beste Leistung auf SO₂ F₂ Molekül, gefolgt von SO₂ und der letzte kommt zu SOF₂ . Inzwischen kann der Rh-Dotierstoff die Elektronenverteilung dieses Systems stark beeinflussen und daher das elektronische Verhalten des Rh-MoTe₂ . dramatisch verändern einschichtig.

Elektronisches Verhalten von Rh-MoTe₂ Monoschicht nach Gasadsorption

Die Bandstruktur (BS) und die Zustandsdichte (DOS) von drei Adsorptionssystemen sind in Abb. 6 dargestellt, um das elektronische Verhalten von Rh-MoTe₂ . zu verstehen Monolayer in der Gasadsorption. Wie oben analysiert, Rh-MoTe₂ Monolayer hat die beste Leistung auf SO₂ F₂ Adsorption. Somit ist aus Abb. 6 (c2) ersichtlich, dass die molekulare DOS von SO₂ F₂ erfährt ausgeprägte Deformationen, die integral nach links verschoben sind und einige der Zustände sich unterhalb des Fermi-Niveaus zu einem großen verbinden. Aus Abb. 6 (c3), wo die Orbital-DOS gezeigt ist, ist ersichtlich, dass der Rh 4d Orbital ist hochgradig hybrid mit dem F 2p Orbital und ist etwas hybrid mit S 3p orbital. Unter diesem Aspekt wird angenommen, dass die Rh-F-Bindung stärker ist als die von Rh-S. Im SO₂ System, das Rh 4d Orbital ist hochgradig hybrid mit dem O 2p Orbital und gefolgt von S 3p Orbital in Abb. 6 (a3), und man könnte auch vermuten, dass der Rh-Dotierstoff eine stärkere Bindungskraft mit dem O-Atom als mit dem S-Atom hat. Aufgrund einer solchen Hybridisierung wird die molekulare DOS von SO₂ in Fig. 6 (a2) erleidet eine bemerkenswerte Verformung. Was die SOF₂ betrifft System kann man in Abb. 6 (b3) sehen, dass der Rh-Dotierstoff eine geringe Orbitalhybridisierung mit dem nächsten O-Atom aufweist, was die schwache Wechselwirkung für SOF₂ . unterstützt Adsorption.

BS und DOS verschiedener Systeme. (a1)–(a3) SO₂ System; (b1)–(b3) SOF₂ System; und (c1)–(c3) SO₂ F₂ System. In DOS ist die gestrichelte Linie das Fermi-Niveau

Zusammen mit der Änderung der orbitalen und molekularen DOS würde sich der gesamte Zustand des gasadsorbierten Systems im Vergleich zum reinen Rh-MoTe₂ . automatisch ändern System. Aus Abb. 6 (a1)–(c1), wo die BS des adsorbierten Systems dargestellt sind, kann man sehen, dass die BS im SOF₂ System erfährt keine signifikante Verformung im Vergleich zu isoliertem Rh-MoTe₂ System, während diejenigen in der SO₂ und SO₂ F₂ sind unterschiedlich, in denen einige neue Zustände um das Fermi-Niveau herum entstehen, wodurch die Bandlücke stark verkleinert wird. Im Detail die Bandlücke des Rh-MoTe₂ wird nach der Adsorption von SO₂ . auf 0,863, 0,913 und 0,675 eV reduziert , SOF₂ , und SO₂ F₂ , bzw. Dies liefert den grundlegenden Erfassungsmechanismus für Rh-MoTe₂ Monolayer als möglicher Widerstands-Gassensor.

Frontier Molecular Orbital Analysis

Um die auf der BS-Analyse basierenden Ergebnisse zu bestätigen, wird die Grenzmolekularorbitaltheorie durchgeführt, um die Verteilung und die Energien der Grenzmolekularorbitale (FMO) von isoliertem und gasadsorbiertem Rh-MoTe₂ . zu analysieren Oberfläche. Das FMO enthält das höchste besetzte Molekül (HOMO) und das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO), und die Energielücke zwischen ihnen kann die elektrische Leitfähigkeit des analysierten Systems bewerten [41]. Um genaue Ergebnisse der FMO-Energien zu erhalten, wird das Verschmieren in diesem Teil der Berechnungen auf 10 ^− 4 . eingestellt A. Die Verteilungen und Energien von FMO von Ru-MoTe₂ Monolayer vor und nach Gasadsorptionen sind in Abb. 7 beschrieben.

Verteilungen und Energien von FMO in a Rh-MoTe₂ System, b SO₂ System, c SOF₂ System und d SO₂ F₂ System

Aus Abb. 7a kann man erkennen, dass das HOMO und LUMO hauptsächlich am Rh-Dotierstoff lokalisiert sind, was auf seine hohe Reaktivität in der Umgebung hindeutet. Die Energien von HOMO und LUMO werden zu − 4.885 bzw. − 3.927 eV mit der berechneten Bandlücke von 0.958 eV erhalten. Nach der Adsorption von drei Gasspezies, wie in Abb. 7b–d zu sehen, sind die FMO-Verteilungen von Rh-MoTe₂ Oberfläche mit unterschiedlich starken Verformungen behaftet, wobei die Reaktion auftritt, die zur Konvergenz der Elektronenwolke führt. Zusammen mit diesen Verformungen haben sich die Energien von FMO entsprechend verändert. Es zeigt sich, dass die Energie von FMO nach der Adsorption von drei Gasen unterschiedlich stark abnimmt, wobei die in SOF₂ Systemerfahrung die größten Abnahmen. Die Energielücke in SOF₂ System erfährt die kleinste Änderung im Vergleich zu reinem Rh-MoTe₂ System. Insbesondere die Energielücke von Rh-MoTe₂ Monolayer (0,958 eV) wird nach SOF₂ . um 0,044 eV verringert Adsorption, während nach SO₂ . um 0,061 und 0,281 eV reduziert wird und SO₂ F₂ Adsorption bzw. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die elektrische Leitfähigkeit von Rh-MoTe₂ Monoschicht wird nach der Adsorption von drei Gasen abnehmen und die Abnahme ist im SO₂ . am deutlichsten F₂ System, die mit den Schlussfolgerungen aus der BS-Analyse übereinstimmen. Außerdem sind die Energielücken aus der Grenzmolekularorbitaltheorie im Wesentlichen denen der Bandlücken aus BS-Ergebnissen ähnlich, was die gute Genauigkeit unserer Berechnungen impliziert.

Erkennen von Antwort- und Wiederherstellungseigenschaften

Die Änderungen der Bandlücke von Rh-MoTe₂ Monolayer nach der Gasadsorption zeigen ihre Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in der verwandten Gasatmosphäre [42], was den grundlegenden Sensormechanismus für die Untersuchung von Rh-MoTe₂ . liefern kann Monolayer als Widerstands-Gassensor. Außerdem würde die größere Änderung der elektrischen Leitfähigkeit eine höhere Empfindlichkeit für die Gasdetektion erklären. Um die Möglichkeit von Ru-MoTe₂ . zu identifizieren Monolayer als Sensor, seine Leitfähigkeit (σ) und Empfindlichkeit (S ) auf drei typische Gase werden mit den folgenden Formeln berechnet [43, 44]:

In Formel 3 ist A eine Konstante, B _g ist die Bandlücke des analysierten Systems, k ist die Boltzmann-Konstante und T ist die Arbeitstemperatur. In Formel 4, σ _Gas und σ _rein bedeuten jeweils die Leitfähigkeit des analysierten Adsorptionssystems und des isolierten Rh-MoTe₂ Monoschicht. Nach diesen beiden Formeln ergibt sich, dass das S einer bestimmten Oberfläche nur mit ihrer Bandlücke vor und nach der Gasadsorption erhalten werden. Nach der Berechnung sind die Sensitivitäten von Rh-MoTe₂ Monoschicht auf SO₂ , SOF₂ , und SO₂ F₂ Detektion bei 298 K sind 76,3, 37,3 bzw. 99,4%. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Rh-MoTe₂ Monolayer besitzen das bewundernswerteste Sensorverhalten auf SO₂ F₂ , gefolgt von der SO₂ und der letzte kommt zu SOF₂ . Diese Reihenfolge stimmt mit der Analyse der Adsorptionsparameter und des elektronischen Verhaltens überein. Basierend auf diesen Ergebnissen ist es hoffnungsvoll, dass Rh-MoTe₂ Monoschicht könnte eine empfindliche Detektion von SO₂ . realisieren und SO₂ F₂ bei Raumtemperatur.

Die Erholungseigenschaft ist auch wichtig, um die Wiederverwendbarkeit des Gassensors zu bewerten und um die Erholungszeit (τ) der Gasdesorption von bestimmten Oberflächen zu reduzieren, wird normalerweise eine Heiztechnik in Betracht gezogen, da die Erholungszeit von der Temperatur abhängt (T ), formuliert als [45] \(\tau ={A}^{-1}{e}^{\left(-{E}_a/{K}_BT\right)}\). In dieser Formel ist A ist die Versuchshäufigkeit bezogen auf 10 ¹² s ^− 1 [46], E _a ist die Potentialbarriere, bestimmt als Äquivalent zu E _Anzeige in dieser Arbeit und K _B ist die Boltzmann-Konstante (8.318 × 10 ^− 3 kJ/(mol·K)).

Basierend auf der Formel ist das Erholungsverhalten von Rh-MoTe₂ Monolayer bei 298, 448 und 598 K ist in Abb. 8 dargestellt. Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, dass die Desorption von SO₂ F₂ und SO₂ bei Raumtemperatur sind extrem schwierig, während für SOF₂ die Erholungszeit ist aufgrund seiner schwachen Bindungskraft mit der Rh-dotierten Oberfläche recht kurz. Durch Erhitzen wird die Erholungszeit für SO₂ F₂ oder SO₂ Desorption wird deutlich reduziert, und wenn die Temperatur auf 598 K ansteigt, wird die Erholungszeit in SO₂ (79,48 s) wird günstig, was eine Wiederverwendung in mehreren Minuten ermöglicht. Dies unterstützt das Potenzial von Rh-MoTe₂ Monolayer als wiederverwendbarer Gassensor zum Nachweis von SO₂ . Andererseits ist die lange Erholungszeit für SO₂ F₂ Desorption bei 598 K (7,24 × 10 ⁵ ) spiegelt auch hier die starke Chemisorption wider. Obwohl eine fortgesetzte Temperaturerhöhung die Erholungszeit weiter verkürzen kann, wären die Thermostabilität des Sensormaterials und der hohe Energieverbrauch bei der Sensoranwendung ein weiteres Problem. Angesichts all dessen, Rh-MoTe₂ Monolayer ist nicht geeignet als Sensor für SOF₂ Erkennung. Es gibt uns jedoch einen weiteren Gedanken, Rh-MoTe₂ vorzuschlagen Monolayer als Gasadsorptionsmittel, um dieses schädliche Gas in SF₆ . einzufangen Isoliergeräte und garantieren so deren sicheren Betrieb. Darüber hinaus zeigt dieser Teil der Analyse unter einem anderen Aspekt die Unangemessenheit, Rh-MoTe₂ . zu untersuchen Monoschicht als SO₂ F₂ Sensor aufgrund der schwachen Wechselwirkung mit der Oberfläche.

Erholungszeit von Rh-MoTe₂ Monolayer bei verschiedenen Temperaturen

Optisches Verhalten von Rh-MoTe₂ Monoschicht nach Gasadsorption

Given the desirable optical property of MoTe₂ monolayer, the calculation of the dielectric function of Rh-MoTe₂ monolayer upon gas adsorption is conducted, as displayed in Fig. 9, to illustrate its possibility as an optical gas sensor.

Dielectric function of Rh-MoTe₂ monolayer

From Fig. 9, it is seen that there have three main adsorption peaks for the isolated Rh-MoTe₂ monolayer, localizing at 148, 389, and 1242 nm, among which the former two distance are in the range of ultraviolet ray and the last one is in the range of infrared ray. After gas adsorption, the peaks in ultraviolet range suffer small deformation and that in infrared range undergoes significant deformation. Detailedly, the peak intensity at 1242 nm decreases after SOF₂ adsorption whereas increases after SO₂ and SO₂ F₂ adsorption, and the blue shift could also be identified in the SOF₂ System. Therefore, it could be assumed that Rh-MoTe₂ monolayer is a promising optical sensor for sensitive and selective detection of three gases by infrared device.

In short, it is worth adding that this work makes a progressive research for proposing novel nanomaterials to realize the detection of SF₆ decomposed species through various techniques, which would be significant to fulfil the evaluation of SF₆ insulation devices in an easy and high-efficiency manner.

Schlussfolgerungen

In this paper, the potential application of Rh-MoTe₂ monolayer as a gas sensor for detection of SF₆ decomposed species is explored, which mainly contains two aspects:(1) Rh doping behavior on the intrinsic MoTe₂ monolayer and (2) adsorption and sensing behaviors of Rh-MoTe₂ monolayer upon SO₂ , SOF₂ , and SO₂ F₂ . It is found that the Rh dopant prefers to be doped on the MoTe₂ surface through the T_Mo site with E _b of − 2.69 eV, exerting great electron hybridization with the Te atoms. The adsorption performance of Rh-MoTe₂ monolayer upon three gases are in order as SO₂ F₂> SO₂> SOF₂ , in which chemisorption is identified in SO₂ F₂ and SO₂ systems while physisorption in SOF₂ system, as further supported by the DOS analysis. Rh-MoTe₂ monolayer is a promising resistance-type gas sensor for recycle detection of SO₂ with a response of 76.3%, is a desirable adsorbent for SO₂ F₂ removal from the SF₆ insulation device, and is promising as an optical sensor for selective detection of three gases. All in all, Rh-MoTe₂ monolayer is a potential sensing material for detection of SF₆ decomposed species. This work is meaningful to propose novel nano-sensing material and to realize the effective evaluation of SF₆ insulation devices in an easy and high-efficiency manner.

Methods Section

This work means to explore novel 2D sensing materials using first-principle theory for application in electrical engineering, through detecting the SF₆ decomposed species to evaluate the operation status of high-voltage insulation devices.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

The data at present cannot be shared because they are still in study in our following research.

Abkürzungen

TMDs:

Übergangsmetalldichalkogenide

TM:

Transition metal

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA:

Generalized gradient approximation

DNP:

Double numerical plus polarization

Q _Rh :

Atomic charge of Rh dopant

Q _T :

Molecular charge of adsorbed molecules

E _b :

Binding energy

MSC:

Most stable configuration

EDD:

Electron deformation density

BS:

Band structure

DOS:

Density of state

E _Anzeige :

Adsorption energy

D :

Bond length

FMO:

Frontier molecular orbitals

HOMO:

Highest occupied molecular

LUMO:

Niedrigstes unbesetztes Molekülorbital