Rh-dotiertes MoTe₂-Monolayer: Ein leistungsstarker DFT-validierter Sensor und Scavenger für SF₆-Zerfallsprodukte

Zusammenfassung

In dieser Arbeit werden das Adsorptions- und Sensorverhalten von Rh-dotiertem MoTe₂ (Rh-MoTe₂) Monolayer gegenüber SO₂, SOF₂ und SO₂F₂ mittels erster-Prinzipien-Theorie untersucht, wobei auch das Rh-Dotierverhalten auf der reinen MoTe₂-Oberfläche betrachtet wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die T_Mo-Position der bevorzugte Rh-Dotierplatz mit einer Bindungsenergie (E_b) von −2,69 eV ist. Auf der Rh-MoTe₂-Oberfläche werden SO₂ und SO₂F₂ als Chemisorption mit Adsorptionsenergien (E_ad) von −2,12 eV bzw. −1,65 eV identifiziert, während SOF₂ physikalisch adsorbiert wird (E_ad = −0,46 eV). Die DOS-Analyse bestätigt die Adsorptionsleistung und veranschaulicht das elektronische Verhalten der Rh-Dotierung bei der Gasadsorption. Bandstruktur- und Grenzorbitalanalysen liefern den grundlegenden Sensor-Mechanismus des Rh-MoTe₂-Monolayers als Widerstands-Sensor. Das Desorptionsverhalten stützt das Potenzial der Rh-dotierten Oberfläche als wiederverwendbaren SO₂-Sensor und legt nahe, sie als Gas-Scavenger zur Entfernung von SO₂F₂ in SF₆-Isoliergeräten zu untersuchen. Die Dielektrizitätsfunktion zeigt, dass das Rh-MoTe₂-Monolayer ein vielversprechender optischer Sensor für die selektive Detektion der drei Gase ist. Diese Arbeit ist nützlich, um das Rh-MoTe₂-Monolayer als Sensormaterial oder Gasadsorptionsmittel zu erforschen, um den sicheren Betrieb von SF₆-Isoliergeräten auf einfache und hocheffiziente Weise zu gewährleisten.

Einleitung

SF₆-Isoliergeräte in Hoch- und Höchstspannungsnetzen gehören zu den wichtigsten und teuersten Anlagen – abgesehen von elektrischen Transformatoren –, um den sicheren Betrieb des Gesamtsystems zu gewährleisten. Dies verdanken sie der starken Lichtbogenlöscheigenschaft und der hohen Elektronegativität des SF₆-Gases, das als Isolationsmedium dient. Allerdings kann SF₆ im Langzeitbetrieb durch Teilentladungen, die durch unvermeidbare innere Defekte verursacht werden, in verschiedene fluorarme Sulfide zerfallen. Diese Nebenprodukte reagieren weiter mit Spuren von Wasser und Sauerstoff und bilden stabile Chemikalien wie SO₂, SOF₂ und SO₂F₂, die stattdessen das Isolierverhalten von SF₆ verschlechtern. Daher wird die Detektion dieser Zersetzungsprodukte als effektive Methode angesehen, um den Zersetzungsstatus von SF₆ und den Betriebszustand der zugehörigen Isoliergeräte zu bewerten.

Mit wachsendem Interesse an Übergangsmetall-Dichalkogeniden (TMDs) wurden MoS₂-basierte Sensoren für die Detektion von SF₆-Zerfallsprodukten vorgeschlagen. Diese Arbeiten haben die Eignung und Überlegenheit von Übergangsmetall (TM)-dotierten MoS₂-Monolayern für die Sensorik von Komponenten wie SO₂ und SOF₂ demonstriert. Zudem beweist eine theoretische Studie die Eignung von reinem MoTe₂-Monolayer für die SO₂-Detektion. Neuere Fortschritte in der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) für die großflächige Synthese von TMDs beschleunigen die Entwicklung von MoTe₂-Monolayern für Gassensoranwendungen erheblich. MoTe₂-Monolayer besitzt hervorragende Ladungsträgermobilität, große Bindungslängen und niedrige Bindungsenergie, was eine hohe Empfindlichkeit bei Gaswechselwirkungen bei Raumtemperatur ermöglicht. Daher ist MoTe₂ ein vielversprechender Kandidat für Gassensorik, und seine Anwendung für SF₆-Zerfallsprodukte sollte weiter erforscht werden.

Es ist gut belegt, dass TM-dotierte 2D-Nanomaterialien eine stärkere Adsorptionsleistung und Sensorik gegenüber Gasmolchen aufweisen als reine Oberflächen. Dies liegt an der bewundernswerten chemischen Aktivität und katalytischen Verhaltens der TMs, deren d-Orbitale stark mit denen der adsorbierten Moleküle hybridisieren, was die Chemisorption fördert und den Ladungstransfer vergrößert. Für MoTe₂-Monolayer gibt es bisher wenige theoretische Berichte über TM-Dotierverhalten; auch die zugehörigen Adsorptions- und Sensoreigenschaften TM-dotierter MoTe₂-Monolayer sind wenig erforscht. Unter den TM-Elementen hat Rhodium (Rh) mit starker katalytischer Leistung sich als begehrter TM-Dotant auf anderen Nanooberflächen für Gasadsorption bewährt. Insbesondere untersucht Referenz [26] das Rh-Dotierverhalten auf MoSe₂-Monolayer und dessen verbesserte Leistung bei der Adsorption toxischer Gase. Vor diesem Hintergrund ist es interessant, mittels erster-Prinzipien-Theorie das Rh-Dotierverhalten auf dem weniger erforschten MoTe₂-Monolayer zu studieren, um geometrische Eigenschaften zu vergleichen und ein besseres Verständnis der Rh-Dotierung auf TMDs zu gewinnen. Darüber hinaus wurden die Adsorptions- und Sensoreigenschaften von Rh-dotiertem MoTe₂ (Rh-MoTe₂) Monolayer gegenüber drei SF₆-Zerfallsprodukten – SO₂, SOF₂ und SO₂F₂ – theoretisch simuliert, um ihr Potenzial für typische Anwendungsbereiche zu erforschen. Die elektronischen und optischen Verhaltensweisen von Rh-MoTe₂-Monolayer bei Gasadsorption liefern die grundlegenden Sensormechanismen für seine Erforschung als Widerstands- oder optischer Gassensor zur Detektion von SF₆-Zerfallsprodukten. Das Desorptionsverhalten verifiziert das Potenzial von Rh-MoTe₂-Monolayer als Gasadsorptionsmittel zur Entfernung dieser schädlichen Gase in SF₆-Isoliergeräten, was aus einer weiteren Perspektive den sicheren Betrieb des Stromsystems garantiert. Diese Arbeit ist bedeutsam, um neuartige Nano-Sensormaterialien und deren Anwendung für die Bewertung des Betriebsstatus von SF₆-Isoliergeräten auf einfache und hocheffiziente Weise vorzuschlagen.

Rechenmethodik

Alle Ergebnisse wurden mit dem Dmol³-Paket auf Basis der ersten-Prinzipien-Theorie erzielt. Die von Grimme vorgeschlagene DFT-D-Methode wurde angewendet, um Van-der-Waals-Kräfte und Langstreckenwechselwirkungen besser zu erfassen. Das Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)-Funktional mit generalisierter Gradientennäherung (GGA) wurde für die Elektronenaustausch- und Korrelationsterme verwendet. Als atomarer Orbitalbasissatz diente Double Numerical plus Polarization (DNP). Ein Monkhorst-Pack k-Punkt-Gitter von 7 × 7 × 1 wurde für Superzellen-Geometrieoptimierungen definiert, während ein genaueres 10 × 10 × 1 Gitter für elektronische Strukturberechnungen gewählt wurde. Die Energiekonvergenz, maximale Kraft und Verschiebung betrugen 10⁻⁵ Ha, 2 × 10⁻³ Ha/Å bzw. 5 × 10⁻³ Å. Für statische elektronische Strukturberechnungen wurde eine selbstkonsistente Schleifenenergie von 10⁻⁶ Ha und ein globaler Orbital-Cutoff-Radius von 5,0 Å verwendet, um genaue Gesamtenergieergebnisse zu gewährleisten.

Ein MoTe₂-Monolayer mit einer 4 × 4 Superzelle und einem 15 Å Vakuumgebiet, bestehend aus 16 Mo- und 32 Te-Atomen, wurde für alle Berechnungen erstellt. Es ist belegt, dass eine 4 × 4 Superzelle groß genug für Gasadsorptionsprozesse ist und ein 15 Å Vakuum die Wechselwirkung zwischen benachbarten Einheiten verhindert. Die Hirshfeld-Methode wurde durchgängig zur Analyse der Atomladung des Rh-Dotants (Q_Rh) und der Molekülladung der adsorbierten Moleküle (Q_T) eingesetzt. Ein positiver Q_Rh (Q_T) bedeutet, dass der Rh-Dotant (Gasmolchen) als Elektronendonator fungiert, während ein negativer Wert elektron-akzeptierendes Verhalten anzeigt. In den folgenden Abschnitten werden nur die stabilsten Konfigurationen von Rh-MoTe₂-Monolayer und Adsorptionssystemen dargestellt und analysiert.

Ergebnisse und Diskussion

Analyse des Rh-MoTe₂-Monolayers

Für das Rh-MoTe₂-Monolayer werden vier mögliche Adsorptionsplätze betrachtet: T_H (über dem Zentrum des sechseckigen Rings), T_Mo (auf dem Mo-Atom), T_Te (auf dem Te-Atom) und T_B (Brückenplatz zwischen zwei Te-Atomen). Die Bindungsenergie (E_b) für die Rh-Dotierung auf dem MoTe₂-Monolayer ist definiert als:

E_b = E_Rh-MoTe₂ − E_Rh − E_MoTe₂

wobei E_Rh-MoTe₂, E_Rh und E_MoTe₂ die Energien des Rh-MoTe₂-Monolayers, der Rh-Atome und des reinen MoTe₂-Monolayers darstellen.

Die stabilste Konfiguration (MSC) mit der niedrigsten E_b und der zugehörigen Elektronendeformationsdichte (EDD) ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Rh-Dotant besiedelt den T_Mo-Platz und bildet drei kovalente Bindungen mit benachbarten Te-Atomen der oberen Schicht. Die drei Rh-Te-Bindungen messen jeweils 2,54 Å, kürzer als die Summe der kovalenten Radien von Rh und Te (2,61 Å), was die Bildung chemischer Bindungen bestätigt. Die berechnete E_b beträgt −2,69 eV, deutlich niedriger als −2,14 eV (T_H), −1,28 eV (T_Te) und −2,55 eV (T_B). Bemerkenswert ist, dass die Rh-Te-Bindungen in Rh-MoTe₂ länger sind als Rh-Se-Bindungen in Rh-MoSe₂ und die Bindungsenergie auf MoTe₂ geringer ausfällt als auf MoSe₂, was auf stärkere Rh-Se-Bindungen hindeutet. Laut Hirshfeld-Analyse verhält sich der Rh-Dotant während der Dotierung als Elektronenakzeptor und nimmt 0,045 e vom MoTe₂-Oberflächen auf, was mit der EDD übereinstimmt, in der das Rh-Atom überwiegend von Elektronenanreicherung umgeben ist.

Bandstruktur (BS) und Zustandsdichte (DOS) des Rh-MoTe₂-Systems sind in Abbildung 2 dargestellt, um die durch Rh-Dotierung verursachten Änderungen im elektronischen Verhalten der MoTe₂-Oberfläche zu verstehen. Reines MoTe₂-Monolayer besitzt einen direkten Bandabstand von 1,10 eV. Für Rh-MoTe₂ beträgt der Bandabstand 0,937 eV, was bedeutet, dass der Rh-Dotant Verunreinigungszustände innerhalb des Bandabstands induziert und diesen verengt. Das Valenzbandmaximum liegt am Γ-Punkt, das Leitungsbandminimum am K-Punkt, was auf indirekten Halbleitercharakter hinweist. In der DOS tragen die Zustände des Rh-Dotanten maßgeblich zum Leitungsbandmaximum des reinen MoTe₂ bei und bilden neue DOS-Peaks nahe dem Fermi-Niveau, die das elektronische Verhalten des Gesamtsystems verändern und die elektrische Leitfähigkeit reduzieren. Da der Rh-Dotant am T_Mo-Platz gefangen ist und Bindungen mit Te-Atomen bildet, werden die atomaren DOS von Rh und Te dargestellt, um die Elektronenhybridisierung zwischen ihnen zu verstehen. Der Rh 4d-Orbital hybridisiert stark mit dem Te 5p-Orbital von −5 bis 2 eV, was die signifikante Bindungswechselwirkung erklärt, die zur Bildung der Rh-Te-Chemischen Bindungen führt.

Gasadsorptionskonfigurationen des Rh-MoTe₂-Monolayers

Basierend auf der relaxierten Struktur des Rh-MoTe₂-Monolayers werden die Adsorptionen von SO₂, SOF₂ und SO₂F₂ Molekülen auf seiner Oberfläche um das Rh-Zentrum herum vollständig simuliert. Zuvor wurden die geometrischen Strukturen der drei Gasmolchen optimiert (siehe Supplement). Die Adsorptionsenergie (E_ad) bestimmt die stabilste Konfiguration jedes Systems:

E_ad = E_{Rh-MoTe₂/gas} − E_Rh-MoTe₂ − E_gas

wobei E_{Rh-MoTe₂/gas} und E_Rh-MoTe₂ die Gesamtenergien des Rh-MoTe₂-Monolayers vor und nach Adsorption sind, und E_gas die Energie des isolierten Gasmolchens. Nach dieser Definition wird die MSC mit der niedrigsten E_ad identifiziert.

Zur besseren Verständnis des Ladungstransfers während der Gasadsorption wird EDD für jede Konfiguration berechnet. Detaillierte Informationen für SO₂, SOF₂ und SO₂F₂ Adsorption finden sich in Abbildungen 3, 4 und 5. Die Adsorptionsparameter einschließlich E_ad, Ladungstransfer (Q_T) und Bindungslänge (D) sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

SO₂-Adsorption: Das SO₂-Molekül liegt im Wesentlichen parallel zur MoTe₂-Schicht, wobei ein O-Atom und ein S-Atom vom Rh-Dotanten gebunden werden. Die neu gebildeten Rh-O- und Rh-S-Bindungen messen 2,16 Å bzw. 2,36 Å, was auf starke Bindungskräfte hinweist. E_ad beträgt −1,65 eV (Chemisorption), Q_T = −0,333 e (Elektronenentzug). Nach Adsorption ist der Rh-Dotant um 0,017 e negativ geladen; er trägt 0,028 e zum SO₂ bei, der Rest (0,305 e) stammt vom MoTe₂-Monolayer. Im Vergleich zum reinen MoTe₂/SO₂-System (E_ad = −0,245 eV; Q_T = −0,086 e; D = 3,44 Å) verstärkt Rh-Dotierung die Reaktivität und elektronische Umverteilung erheblich. Die S-O-Bindungen in SO₂ strecken sich von 1,48 Å (Gasphase) auf 1,50 Å und 1,58 Å; die drei Rh-Te-Bindungen dehnen sich auf 2,58, 2,58 und 2,64 Å aus. Diese Deformationen bestätigen die starke Chemisorption. Die EDD zeigt Elektronenanreicherung um das SO₂-Molekül und um die Rh-S/Rh-O-Bindungen, was die Elektronenhybridisierung bei Bindungsbildung belegt.

SOF₂-Adsorption: Das SOF₂-Molekül nähert sich dem Rh-Dotanten über das O-Ende; die Ebene aus S und zwei F-Atomen ist nahezu parallel zur MoTe₂-Schicht. Es gibt keine offensichtliche Bindungsbildung zwischen Rh und SOF₂. Die kürzeste Rh-O-Distanz beträgt 2,25 Å (etwas länger als im SO₂-System), und SOF₂ erfährt keine große geometrische Deformation. Dies deutet auf schwächere Adsorption hin. E_ad = −0,46 eV (Physisorption), Q_T = 0,040 e (Elektronendonator). Die EDD zeigt Elektronenanreicherung zwischen SOF₂ und Rh, was eine gewisse Hybridisierung andeutet, während Elektronenverarmung auf SOF₂ mit der Hirshfeld-Analyse übereinstimmt.

SO₂F₂-Adsorption: Nach Optimierung zerfällt das SO₂F₂-Molekül in ein F-Atom und eine SO₂F-Gruppe, die beide vom Rh-Dotanten gebunden werden und Rh-F- (2,02 Å) bzw. Rh-S-Bindungen (2,26 Å) bilden. Die neu gebildeten Bindungen und E_ad = −2,12 eV belegen Chemisorption, ähnlich dem SO₂-System. Die EDD zeigt signifikante Elektronenanreicherung auf SO₂F₂ (Q_T = −0,753 e), während Elektronenverarmung auf Rh und wenig auf MoTe₂ lokalisiert ist. Der Rh-Dotant trägt maßgeblich zum Ladungstransfer bei, was seine hohe Elektronenmobilität und starke chemische Reaktivität zeigt. Überlappung von Anreicherung und Verarmung an Rh-S- und Rh-F-Bindungen deutet auf Elektronenhybridisierung hin.

Zusammenfassend besitzt Rh-MoTe₂-Monolayer die beste Adsorptionsleistung für SO₂F₂, gefolgt von SO₂ und SOF₂. Der Rh-Dotant beeinflusst die Elektronenverteilung des Systems stark und verändert das elektronische Verhalten des Rh-MoTe₂-Monolayers dramatisch.

Elektronisches Verhalten von Rh-MoTe₂-Monolayer bei Gasadsorption

Bandstruktur (BS) und Zustandsdichte (DOS) der drei Adsorptionssysteme sind in Abbildung 6 dargestellt. Da Rh-MoTe₂ die beste Leistung bei SO₂F₂-Adsorption zeigt, erfährt die molekulare DOS von SO₂F₂ (Abb. 6c2) deutliche Deformationen: sie ist integrall nach links verschoben, und einige Zustände vereinen sich zu einem großen Peak unterhalb des Fermi-Niveaus. Die orbitale DOS (Abb. 6c3) zeigt starke Hybridisierung von Rh 4d mit F 2p und etwas schwächer mit S 3p, was auf stärkere Rh-F-Bindung hindeutet. Im SO₂-System hybridisiert Rh 4d stark mit O 2p und danach mit S 3p (Abb. 6a3), was auf stärkere Bindung zu O als zu S schließt. Die molekulare DOS von SO₂ (Abb. 6a2) verformt sich entsprechend. Beim SOF₂-System zeigt sich kaum Orbitalhybridisierung zwischen Rh und dem nächsten O-Atom (Abb. 6b3), was die schwache Wechselwirkung stützt.

Mit der Änderung der orbitalen und molekularen DOS ändert sich der Gesamtzustand des gasadsorbierten Systems im Vergleich zum reinen Rh-MoTe₂-System. Aus den BS der adsorbierten Systeme (Abb. 6a1–c1) geht hervor, dass die BS im SOF₂-System keine signifikante Deformation erfährt, während im SO₂- und SO₂F₂-System neue Zustände nahe dem Fermi-Niveau auftreten und den Bandabstand stark verengen. Der Bandabstand von Rh-MoTe₂ verringert sich nach Adsorption von SO₂, SOF₂ und SO₂F₂ auf 0,863 eV, 0,913 eV bzw. 0,675 eV. Dies liefert den grundlegenden Sensormechanismus für Rh-MoTe₂-Monolayer als möglichen Widerstands-Gassensor.

Grenzorbitalanalyse

Zur Bestätigung der BS-Ergebnisse wird die Grenzorbitaltheorie angewendet, um Verteilung und Energien der Grenzorbitale (FMO) von isoliertem und gasadsorbiertem Rh-MoTe₂ zu analysieren. FMO umfassen das höchste besetzte (HOMO) und das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO); der Energieabstand zwischen ihnen bewertet die elektrische Leitfähigkeit. Für genaue FMO-Energien wurde das Smearing auf 10⁻⁴ Å gesetzt. Verteilungen und Energien der FMO vor und nach Gasadsorption sind in Abbildung 7 dargestellt.

Im reinen Rh-MoTe₂-System (Abb. 7a) sind HOMO und LUMO hauptsächlich am Rh-Dotanten lokalisiert, was seine hohe Reaktivität anzeigt. HOMO- und LUMO-Energien betragen −4,885 eV bzw. −3,927 eV, der Bandabstand 0,958 eV. Nach Adsorption der drei Gase (Abb. 7b–d) verformen sich die FMO-Verteilungen unterschiedlich stark. Die FMO-Energien nehmen in allen drei Systemen ab, am stärksten im SOF₂-System. Der Energieabstand im SOF₂-System ändert sich jedoch am wenigsten: er verringert sich um 0,044 eV (SOF₂), 0,061 eV (SO₂) und 0,281 eV (SO₂F₂). Dies bedeutet, dass die elektrische Leitfähigkeit nach Adsorption aller drei Gase abnimmt, am stärksten bei SO₂F₂, was mit der BS-Analyse übereinstimmt. Die Energieabstände aus der FMO-Theorie stimmen gut mit den Bandabständen aus der BS überein, was die Genauigkeit der Berechnungen bestätigt.

Sensorantwort und Erholungseigenschaften

Die Bandabstandsänderungen nach Gasadsorption zeigen die Leitfähigkeitsänderung des Rh-MoTe₂-Monolayers in der entsprechenden Gasatmosphäre, was den grundlegenden Sensormechanismus für einen Widerstands-Gassensor liefert. Größere Leitfähigkeitsänderungen bedeuten höhere Empfindlichkeit. Um die Eignung als Sensor zu prüfen, werden Leitfähigkeit (σ) und Empfindlichkeit (S) bei 298 K berechnet:

σ = A · exp(−B_g/2kT)

S = (σ_pure − σ_gas) / σ_gas

wobei A eine Konstante, B_g der Bandabstand, k die Boltzmann-Konstante und T die Arbeitstemperatur ist. σ_gas und σ_pure sind die Leitfähigkeiten des Adsoptionssystems bzw. des isolierten Rh-MoTe₂-Monolayers. Die berechneten Empfindlichkeiten für SO₂, SOF₂ und SO₂F₂ betragen 76,3 %, 37,3 % bzw. 99,4 %. Rh-MoTe₂ zeigt das beste Sensorverhalten für SO₂F₂, gefolgt von SO₂ und SOF₂. Diese Reihenfolge stimmt mit der Adsorptionsparameter- und Elektronikverhaltensanalyse überein. Rh-MoTe₂-Monolayer könnte somit empfindliche Detektion von SO₂ und SO₂F₂ bei Raumtemperatur ermöglichen.

Die Erholungseigenschaft ist wichtig für die Wiederverwendbarkeit des Gassensors. Die Erholungszeit (τ) hängt von der Temperatur ab: τ = A⁻¹ exp(−E_a/k_BT), wobei A = 10¹² s⁻¹ (Versuchsfrequenz), E_a = E_ad (Potenzialbarriere) und k_B = 8,318 × 10⁻³ kJ/(mol·K). Abbildung 8 zeigt das Erholungsverhalten bei 298 K, 448 K und 598 K. Die Desorption von SO₂F₂ und SO₂ bei Raumtemperatur ist extrem schwierig, während SOF₂ aufgrund schwacher Bindung kurze Erholungszeiten aufweist. Durch Erhitzen verkürzt sich die Erholungszeit für SO₂F₂ und SO₂ deutlich; bei 598 K beträgt sie für SO₂ 79,48 s, was eine Wiederverwendbarkeit in wenigen Minuten ermöglicht. Dies stützt das Potenzial als wiederverwendbarer SO₂-Sensor. Die lange Erholungszeit für SO₂F₂ bei 598 K (7,24 × 10⁵ s) spiegelt die starke Chemisorption wider. Weitere Temperaturerhöhung würde die Erholungszeit verkürzen, aber die Thermostabilität des Sensormaterials und der hohe Energieverbrauch wären problematisch. Daher ist Rh-MoTe₂ nicht als SOF₂-Sensor geeignet, aber als Gasadsorptionsmittel (Scavenger) zur Entfernung dieses schädlichen Gases in SF₆-Isoliergeräten vielversprechend. Dies zeigt auch die Ungeeignetheit als SO₂F₂-Sensor aufgrund der zu starken Wechselwirkung.

Optisches Verhalten von Rh-MoTe₂-Monolayer bei Gasadsorption

Angesichts der vorteilhaften optischen Eigenschaften von MoTe₂-Monolayer wird die Dielektrizitätsfunktion von Rh-MoTe₂ bei Gasadsorption berechnet (Abb. 9), um sein Potenzial als optischer Gassensor zu illustrieren. Das isolierte Rh-MoTe₂-Monolayer zeigt drei Hauptabsorptionspeaks bei 148 nm, 389 nm (UV-Bereich) und 1242 nm (Infrarot). Nach Gasadsorption verformen sich die UV-Peaks geringfügig, der IR-Peak bei 1242 nm stark. Die Intensität bei 1242 nm nimmt nach SOF₂-Adsorption ab, nach SO₂- und SO₂F₂-Adsorption zu; im SOF₂-System ist ein Blauverschiebung erkennbar. Daher ist Rh-MoTe₂-Monolayer ein vielversprechender optischer Sensor für die sensitive und selektive Detektion der drei Gase mittels Infrarotgeräten.

Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen fortschrittlichen Beitrag zur Erforschung neuartiger Nanomaterialien zur Detektion von SF₆-Zerfallsprodukten durch verschiedene Techniken, was für die effektive Bewertung von SF₆-Isoliergeräten auf einfache und hocheffiziente Weise bedeutsam ist.

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit wird die potenzielle Anwendung von Rh-MoTe₂-Monolayer als Gassensor für SF₆-Zerfallsprodukte erforscht, wobei zwei Aspekte im Fokus stehen: (1) Rh-Dotierverhalten auf intrinsischem MoTe₂-Monolayer und (2) Adsorptions- und Sensoreigenschaften von Rh-MoTe₂-Monolayer gegenüber SO₂, SOF₂ und SO₂F₂. Der Rh-Dotant bevorzugt den T_Mo-Platz (E_b = −2,69 eV) und zeigt starke Elektronenhybridisierung mit Te-Atomen. Die Adsorptionsleistung folgt der Reihenfolge SO₂F₂ > SO₂ > SOF₂, wobei Chemisorption für SO₂F₂ und SO₂, Physisorption für SOF₂ vorliegt, wie durch DOS-Analyse gestützt. Rh-MoTe₂-Monolayer ist ein vielversprechender Widerstands-Gassensor für die wiederverwendbare SO₂-Detektion (Ansprechverhalten 76,3 %), ein begehrtes Adsorptionsmittel für SO₂F₂-Entfernung aus SF₆-Isoliergeräten und ein vielversprechender optischer Sensor für die selektive Detektion aller drei Gase. Insgesamt ist Rh-MoTe₂-Monolayer ein potenzielles Sensormaterial für SF₆-Zerfallsprodukte. Diese Arbeit ist bedeutend, um neuartige Nano-Sensormaterialien vorzuschlagen und die effektive Bewertung von SF₆-Isoliergeräten auf einfache und hocheffiziente Weise zu realisieren.

Methoden

Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung neuartiger 2D-Sensormaterialien mittels erster-Prinzipien-Theorie für Anwendungen in der Elektrotechnik, durch Detektion von SF₆-Zerfallsprodukten zur Bewertung des Betriebsstatus von Hochspannungs-Isoliergeräten.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Daten können derzeit nicht geteilt werden, da sie noch in unserer Folgforschung untersucht werden.

Abkürzungen

TMDs:

Übergangsmetall-Dichalkogenide

TM:

Übergangsmetall

CVD:

Chemische Gasphasenabscheidung

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA:

Generalisierte Gradientennäherung

DNP:

Double Numerical plus Polarization

Q_Rh:

Atomladung des Rh-Dotanten

Q_T:

Molekülladung der adsorbierten Moleküle

E_b:

Bindungsenergie

MSC:

Stabilste Konfiguration

EDD:

Elektronendeformationsdichte

BS:

Bandstruktur

DOS:

Zustandsdichte

E_ad:

Adsorptionsenergie

D:

Bindungslänge

FMO:

Grenzorbitale

HOMO:

Höchstbesetztes Molekülorbital

LUMO:

Niedrigst unbesetztes Molekülorbital