Erfassung des Verhaltens von zweidimensionalem Al- und P-dotiertem WS2 gegenüber NO, NO2 und SO2:eine Ab-Initio-Studie

Einführung

Stickoxid und Schwefeldioxid werden häufig in der industriellen Produktion verwendet. Stickstoffmonoxid (NO) könnte beispielsweise als Stickstoffquelle für Dotierungsprozesse in der Halbleiterindustrie verwendet werden und Schwefeldioxid (SO₂ ) könnte verwendet werden, um den Verderb der Trauben zu verhindern [1]. Diese Gase sind jedoch nicht nur schädlich, sondern können auch ernsthafte Umweltprobleme wie sauren Regen oder photochemischen Smog verursachen [2, 3]. Bei industriellen Anwendungen ist es notwendig, die Leckage dieser Gase zu überwachen. In früheren Forschungen wurden Metalloxid-Gassensoren umfassend untersucht, aber sie haben Nachteile in Form von Instabilität und eingeschränkten Arbeitsbedingungen [4]. Daher ist es von erheblicher Bedeutung, neue Materialien zum Nachweis dieser Gase zu finden [5]. Um Gasmoleküle effektiv nachzuweisen, sollten die Materialien ein großes Oberflächenvolumenverhältnis und eine ausreichende Bindungskraft aufweisen, um Gasmoleküle zu adsorbieren [6, 7]. Die Entdeckung von Graphen- und Edelgassensoreigenschaften [8] hat die Forscher motiviert, ihre Aufmerksamkeit auf 2D-Materialien zu richten [9, 10].

Unter den 2D-Materialien haben Übergangsmetalldisulfide (TMDs) aufgrund ihrer stabilen halbleitenden Eigenschaften und ihrer geeigneten Trägermobilität im Gassensorbereich große Bedenken auf sich gezogen [11,12,13]. Insbesondere als typische Art von TMDs, WS₂ hat verschiedene einzigartige Eigenschaften für Sensormaterialien [14, 15], wie ausgezeichnete thermische Stabilität, abstimmbare Bandstruktur [16, 17] und niedrige Kosten. Allerdings makelloses 2D WS₂ als sensitives Element hat einige Nachteile, wie z. B. eine schwache Adsorption an Zielgasen, die die Gasmoleküle nicht effektiv einfangen können [18]. In diesem Fall wird Dotierung in 2D-Materialien häufig verwendet, um die Oberflächeneigenschaften und die Bindungskraft zwischen Materialien und Gasmolekülen anzupassen und die Adsorptions- und Sensorfähigkeit von Gasen zu verbessern [19, 20]. Natürlich haben unterschiedliche Dotierstoffe unterschiedliche Auswirkungen auf die Erfassungsleistung. Daher müssen dotierte empfindliche Substrate geeignete Verunreinigungen finden, um ihre Erfassungsleistung zu verbessern. Zum Beispiel Pd-dotiertes WS₂ haben bereits ihre Verbesserung gegenüber ihren ursprünglichen Pendants in der Gassensorik gezeigt [6, 21]. Leider haben die meisten früheren Studien zu dotiertem WS₂ als sensitives Element konzentrierte sich nur auf die Bindungsstärke und den Ladungstransfer zwischen Gasmolekülen und einschichtigen Filmen. Die Adsorptionsselektivität gegenüber Gasen und der Einfluss der Dotierungskonzentration werden oft vernachlässigt. In dieser Arbeit haben wir nicht nur die Bindungsstärke und den Ladungstransfer umfassend untersucht, sondern auch die Adsorptionsselektivität gegenüber Zielgasen und den Einfluss von Dotierungskonzentrationen.

In Anbetracht dessen, dass Al- und P-Atome einen engen kovalenten Radius und eine ähnliche elektronische Struktur wie S-Atome aufweisen, ist es für sie einfacher, S-Atome zu ersetzen und eine stabile kovalente Struktur zu bilden. Viele frühere Studien haben Materialien mit Substitutionsdotierung von S-Atomen untersucht [22,23,24,25]. Daher untersuchte diese Arbeit die Sensorleistung von Al- und P-dotiertem WS₂ mit Hilfe von DFT. Die Sensoreigenschaften der dotierten Systeme wurden mit denen des undotierten Systems hinsichtlich Bindungsenergie, Bandstruktur und Zustandsdichte verglichen. Es hat bewiesen, dass WS₂ mit Al- oder P-Atomen dotiert hatte offensichtliche Vorteile gegenüber dem reinen WS₂ beim Nachweis dieser Gase. Zusätzlich zu NO, NO₂ , und SO₂ , haben wir CO₂ . in Betracht gezogen und H₂ O als Störgase, um die Selektivität eines dotierten Substrats gegenüber den Zielgasen zu untersuchen. Zwei Dotierungskonzentrationen, 3,7% und 7,4%, wurden berücksichtigt, um ihren Einfluss auf die Empfindlichkeit gegenüber Gasen abzuschätzen. Diese Arbeit bietet einen umfassenden Einblick in die Auswahl geeigneter Dotierstoffe (Konzentration) in 2D-Materialien zur Erkennung schädlicher Gase.

Methoden

In dieser Arbeit basierten alle First-Prinzip-Rechnungen auf DFT [26, 27]. Die lokale Dichteapproximation (LDA) mit der PWC-Funktion wurde gewählt, um den Elektronenaustausch und die Korrelation zu untersuchen. Um die Rechenlast zu verringern, wurde der Kernel (DFT-Semi-Core-Pseudopotentiometer) durch ein einzelnes effektives Potenzial ersetzt. Es wurde ein dualer numerischer Orbitalbasissatz und eine Orbitalpolarisationsfunktion (DNP) gewählt. Der globale Orbital-Cutoff-Radius wurde auf 4,9 Å eingestellt, um eine ausreichende Genauigkeit zu gewährleisten. Die k-Punkte des Monkhorst-Pack wurden nach einem Konvergenztest auf 4 × 4 × 1 gesetzt, mit einer Vakuumschicht von 13,4 , um die Wechselwirkung zwischen benachbarten Einheiten zu vermeiden. Die Energiekonvergenzgenauigkeit für Geometrie betrug 1,0 × 10 ^–5 Hartree, während die maximale Verschiebung 0,005 Å betrug und die maximale Kraft 0,002 Hartree/Å betrug.

Es wurde eine 3 × 3 × 1-Superzelle mit 9 W-Atomen und 18 S-Atomen aufgebaut, wie in Abb. 1a gezeigt. Für die Modelle von dotiertem WS₂ , wurde ein S-Atom durch ein P- oder Al-Atom ersetzt [28], wie in Abb. 1b–d gezeigt. Anschließend wurde eine Geometrieoptimierung durchgeführt. Danach wurde das Gasmolekül über dem WS₂ . gesetzt Ebene, um das Gasadsorptionsmodell zu erstellen. Drei Stellen für das adsorbierte Gasmolekül wurden ausgewählt. Sie waren die Spitze der S- oder Dotierstoffatome (I), die Spitze des Mittelpunkts der Bindung zwischen dem dotierten Atom und dem W- oder S-Atom (II) und das Zentrum der Hexagonstruktur (III), wie in der Abb. 1a–c. Nach den Geometrieoptimierungen für jedes Adsorptionssystem wurden die geometrischen Konstruktionen mit der stabilsten Gasadsorption gefunden. Die Bindungsenergie (E _binden ) könnte die Wechselwirkung zwischen dem Material und dem adsorbierten Gasmolekül widerspiegeln und durch die folgende Funktion berechnet werden:

Das 4 × 4 × 1-Superzellenmodell von a makelloses WS₂ , b Al-dotiertes WS₂ , und c P-dotiertes WS₂ mit den drei markierten Adsorptionsstellen. Und die Modelle von d NEIN, e NEIN₂ , und f SO₂ Moleküle. Gelbe, hellblaue, dunkelrote, violette, blaue und rote Kugeln stehen für S, W, Al, P, N bzw. O

wo E _m stellt die Energie des Materials dar, ohne Gasmoleküle zu adsorbieren, E _tot die Gesamtenergie des Materials und der Gasmoleküle darstellt und E _Gas stellt die Energie des isolierten Gasmoleküls dar [29]. Ein deutlicherer absoluter Wert von E _binden stellt eine stärkere Wechselwirkungskraft zwischen dem Material und den Gasmolekülen dar.

Die Bildungsenergie (E _fm ), was die Schwierigkeit der Bildung eines Dotierungssystems widerspiegeln könnte, und die Stabilität des Systems wurde durch die folgende Funktion berechnet:

$$ {E}_{fm}={E}_{tot}+{E}_s-{E}_m-{E}_{dopant} $$ (2)

wo E _s die Gesamtenergie des substituierten S-Atoms ist und E _dopant stellt die Gesamtenergie der Dotierstoffatome dar. Ein signifikanterer Wert von E _fm bedeutet schwieriger, das Dotierstoffsystem zu bilden.

Ergebnisse und Diskussion

Die Adsorptionspositionen sind in Abb. 1a–c gezeigt, die dem reinen, Al-dotierten und P-dotierten WS₂ . entsprechen , bzw. In Abb. 1,d–f betrugen die Bindungslängen von N–O, N=O und S=O 1.16 Å, 1.21 Å bzw. 1.46 Å. Die Bindungslänge der W-S-, Al-W- und P-W-Bindung betrug etwa 2.43 , 2.86 bzw. 2.45 . Nach der geometrischen Optimierung wurde in der nachfolgenden Diskussion der energetisch günstige Standort für jedes Adsorbat verwendet. Die Bindungsenergien des 3,7% P- und Al-dotierten WS₂ -System am energetisch günstigen Standort sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Bindungsenergie des reinen WS₂ System wurde in Tabelle S1 gezeigt. Dann, entsprechend den Ergebnissen der Bindungsenergie, die Wechselwirkung zwischen Gasmolekülen und reinem WS₂ war so schwach, dass es für das Substratmaterial schwierig war, Gasmoleküle stabil zu adsorbieren. Die Bindungsenergie des NO-reinen WS₂ System war sogar positiv. Die Einführung von Dotierstoffen könnte jedoch die Adsorptionsstärke zwischen Gas und WS₂ . erheblich verbessern , insbesondere für WS₂ mit Al-Atom dotiert. Unter allen Dotierungsfällen war die Adsorptionsstärke am geringsten, während SO₂ adsorbiert an P–WS₂ . Neben Al und P wurden auch andere Elemente derselben Periode oder Familie mit S, wie O, Si, Cl oder Se, berücksichtigt. Der Fall von Fe-dotiertem W-substituiertem WS₂ wurde in Abb. S1 gezeigt, während WS₂ Systeme mit diesen Dotierstoffen hatten entweder eine schlechte Stabilität (hohes E _fm ) oder schwache Wechselwirkung mit Gasmolekülen. In Anbetracht dessen waren diese Dotierstoffe in den nachfolgenden Studien nicht involviert. Die energetisch günstigen Stellen (die niedrigste negative Bindungsenergie) von NO, NO₂ , und SO₂ auf dem dotierten WS₂ . adsorbierte Moleküle wurden in Abb. S2, S3 bzw. S4 gezeigt.

Die Bandstrukturen der reinen und Al- und P-dotierten Monoschicht WS₂ wurden in Abb. 2 dargestellt. Die Ergebnisse der projektiven Zustandsdichte (PDOS) sind in Abb. S5 dargestellt. Die Monoschicht 2H WS₂ ist ein Halbleiter mit direkter Bandlücke am Γ-Punkt. Für WS₂ mit Al-Atom dotiert, führte die Verunreinigung Grenzflächenzustände in die Bandlückenregion der Monoschicht 2H WS₂ . ein . Darüber hinaus bildet das Vorhandensein von Metallatomen die Schottky-Barriere, wobei das Fermi-Niveau in der Oberflächenregion des Halbleiters verankert ist. Die Pinning-Position liegt innerhalb von 0,2 eV zum Fermi-Niveau des ersten Halbleiters [5]. Metalleigenschaften werden durch Metalldotierstoffe bewirkt [30]. Gleichzeitig führte das P-Atom Energiebänder ein, die mit dem Leitungs- und Valanzband von WS₂ . vermischt waren . Bandstrukturen von dotiertem WS₂ nach Gasadsorption sind in Abb. S6 dargestellt. Folglich ist in den Fällen von NO auf Al-dotiertem WS₂ , NEIN auf P-dotiertem WS₂ , und SO₂ auf Al-dotiertem WS₂ , hatte die Bandlückenbreite des Materials eine offensichtliche Änderung, nachdem die Gasmoleküle adsorbiert wurden. Frühere Studien haben gezeigt, dass eine engere Bandlücke eine geringere kinetische Stabilität, eine höhere chemische Aktivität und einen natürlicheren Elektronenübergang vom Valenzband zum Leitungsband bedeutet [31, 32]. Somit machten es offensichtliche Bandlückenänderungen von dotierten Materialien nach der Gasadsorption möglich, dass sie empfindliche Substrate sind, um die Existenz von Gasmolekülen zu erkennen.

Bandstruktur von a makelloses WS₂ , b Al-dotiertes WS₂ , und c P-dotiertes WS₂

Basierend auf dem Ladungstransfer zwischen Gasmolekülen und Substratmaterialien kann die Detektion von Gas durch Gassensoren vervollständigt werden. Nach der traditionellen Ladungsübertragungstheorie ist der Mechanismus des Ladungsübertragungsprozesses zwischen Gas und WS₂ wurde in Abb. 3 gezeigt. LUMO ist das niedrigste unbesetzte Molekülorbital, während HOMO das höchste besetzte Molekülorbital ist. E _f ist das Fermi-Niveau des Substrats. Wenn E _f zwischen LUMO und HOMO liegt, findet nach der traditionellen Theorie kein Ladungstransfer statt. Dann haben Zhou et al. fügte hinzu, dass der Ladungstransfermechanismus durch die orbitale Mischung von LUMO und HOMO mit dem Substratmaterial bestimmt würde, wenn E _f liegt zwischen LUMO und HOMO, wie in Abb. 3a [5] gezeigt. Wenn das LUMO niedriger ist als das Fermi-Niveau von WS₂ , Elektronen fließen von WS₂ auf das in Abb. 3b [7] gezeigte Gasmolekül. Nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes wird das E _f des Adsorptionssystems ist das gleiche wie bei LUMO. Umgekehrt, wenn das HOMO höher ist als das Fermi-Niveau von WS₂ , Elektronen fließen von Gasmolekülen zu WS₂ in Abb. 3c [5] dargestellt. Das E _f des Adsorptionssystems ist das gleiche wie LUMO im Gleichgewichtszustand. Die LUMO- und HOMO-Isooberflächen von NO, NO₂ , und SO₂ Molekülorbital wurden in Abb. 4, a–c bzw. gezeigt. Die Energie von LUMO und HOMO und E _f von WS₂ wurden in Tabelle S2 dargestellt. Laut Tabelle ist E _f lag zwischen LUMO und HOMO in den Al- und P-dotierten Adsorptionssystemen. Daher ist es notwendig, die orbitale Mischung zwischen dem LUMO und HOMO von Gasmolekülen und dem Substratmaterial zu untersuchen.

Schematische Darstellung des Ladungstransfermechanismus

LUMO und HOMO des Molekülorbitals a NEIN, b NEIN₂ , und c SO₂

DOS wurde verwendet, um die Elektronenverteilung und Orbitalmischung im Adsorptionssystem weiter zu diskutieren, die von der Wechselwirkung zwischen Gasen und Substraten abhängt. Abbildung 5 zeigt die DOS von Gasen, Dotierstoffen, S- und W-Atomen. Schwarze und rote Linien waren die DOS-Kurven von Gasen bzw. Dotierstoffen. Und blaue und olivfarbene Linien waren die der S- bzw. W-Atome. Nach der Gasadsorption kam es aufgrund der Orbitalwechselwirkung zu einer Elektronenumverteilung im gesamten System, die zu Überlagerungen der DOS-Peaks zwischen Gas und Substratmaterial führen würde. Die Überlappung der DOS-Peaks bedeutete die Vermischung zwischen Molekülorbitalen, was die Existenz einer Wechselwirkung zwischen Gas und Sensormaterialien beweist [33]. Das Mischen von Molekülorbitalen war hilfreich für den Ladungstransfer, so dass es die Adsorptionswechselwirkung zwischen Gas und Materialoberfläche verstärken kann [34,35,36]. Daher wurde die Mischung zwischen Molekülorbitalen verglichen, um die Adsorptionseffekte von Gasmolekülen zu bewerten. In Abb. 5a lag die Orbitalmischung zwischen NO-Molekül und Al-Atom bei −12,62 und −8,11 eV. Und die Orbitalmischung zwischen NO-Molekül und Al-, S- und W-Atomen betrug 2,02 eV. In Abb. 5b ist die Orbitalmischung zwischen NO₂ -Molekül und Al-Atom lag bei − 19.60, − 11.60 und − 8.44 eV. Und die orbitale Mischung zwischen NO₂ -Molekül und Al-, S- und W-Atome lag bei 0 eV. In Abb. 5c ist die Orbitalmischung zwischen SO₂ -Molekül und Al-Atom lag bei −12,09 eV. Die Orbitalmischung zwischen SO₂ -Molekül und Al- und S-Atomen lag bei −8,27 eV. Die Orbitalmischung zwischen SO₂ -Molekül und Al-, S- und W-Atome lag bei 1,75 eV. In Abb. 5d lag die Orbitalmischung zwischen NO-Molekül und P-Atom bei −12,21 eV. Und die Orbitalmischung zwischen dem NO-Molekül und den P-, S- und W-Atomen lag bei −10 eV. In Abb. 5e ist die Orbitalmischung zwischen NO₂ -Molekül und P-Atom lag bei −12,63 eV. Und die orbitale Mischung zwischen NO₂ -Molekül und P-, S- und W-Atomen lag bei −9,66 und −5,51 eV. In Abb. 5f ist die Orbitalmischung zwischen SO₂ -Molekül und S-Atomen lag bei −9,25 eV. Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Anwesenheit von Verunreinigungen zu einer stärkeren orbitalen Vermischung führt. Darüber hinaus ist die Orbitalmischung in den Systemen mit Al-dotierten Atomen stärker als in den Systemen mit P-Atom-dotierten, was auf eine stärkere Wechselwirkung zwischen Gasmolekülen und Substrat in Al-dotierten Systemen hindeutet, die gut mit den Ergebnissen der Binging-Energie übereinstimmt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Einführung von Verunreinigungen mehr aktivierte Peaks im gesamten Band liefern kann, wodurch die Möglichkeit einer orbitalen Vermischung zwischen dem Substrat und den Gasmolekülen erhöht wird.

DOS von a NO-, Al-, S- und W-Atome; b NEIN₂ , Al-, S- und W-Atome; c SO₂ , Al-, S- und W-Atome; d NO-, P-, S- und W-Atome; e NEIN₂ , P-, S- und W-Atome; und f SO₂ , P-, S- und W-Atome

Um das Erfassungspotential des Al- und P-dotierten WS₂ . weiter zu bewerten , CO₂ und H₂ O wurden auch zum Testen der Selektivität von Al- und P-dotiertem WS₂ . in Betracht gezogen zum Zielgas. Ähnlich wie NO, NO₂ , oder SO₂ Adsorption, die stabilste Adsorptionsstelle von drei Stellen mit hoher geometrischer Symmetrie auf WS₂ wurde in Fig. S7(a), (b), (c) und (d) gezeigt. Die Ergebnisse der Bindungsenergie sind in Tabelle S3 dargestellt, und die Ergebnisse der Bandstruktur sind in Abb. S7(e), (f), (g) und (h) gezeigt. Die Bindungslänge von C=O in isoliertem CO₂ und OH in isoliertem H₂ O betrug 1,175 bzw. 0,971 . Sie änderten sich nicht viel, nachdem Gas auf dem dotierten WS₂ . adsorbiert wurde außer H₂ O adsorbiert an Al-WS₂ . Das deutete auf die Wechselwirkung zwischen den H₂ O-Molekül und Al-dotiertes WS₂ war der stärkste. Nach Tabelle 2 ist die berechnete Bindungsenergie von H₂ O auf Al-WS₂ war − 1,69 eV.

Alle diese Ergebnisse deuteten auf die Möglichkeit hin, dass das Al-dotierte WS₂ hätte bei Vorhandensein von H₂ . eine schlechte Selektivität für das Zielgas O. Um diesen Punkt weiter zu bestätigen, wurde die DOS-Analyse durchgeführt, die in Abb. 6 gezeigt ist. Für Abb. 6b, in der Gruppe von H₂ O auf Al-WS₂ , die Überlappungen der DOS-Peaks zwischen dem Gas und dem Substratmaterial in der Nähe von E _f (0 eV) waren viel deutlicher als die anderen drei. Dies bewies eine starke Wechselwirkung und mehr Möglichkeit des Ladungstransfers zwischen H₂ O-Molekül und Al-WS₂ . Außerdem mehr orbitale Vermischung zwischen H₂ O-Molekül und Al-Atom konnten gefunden werden, was weitere Hinweise auf die Wechselwirkung lieferte. Daraus konnten wir schließen, dass das Al-dotierte WS₂ da Sensormaterial leicht von H₂ . angegriffen werden würde O. Die Bindungsenergie betrug −0,18 und −0,27 eV mit CO₂ und H₂ O-Adsorption an P-dotiertem WS₂ , bzw. Diese Ergebnisse waren geringer als die Bindungsenergie von NO (− 0,87 eV) und NO₂ (− 1,27 eV), aber sehr nahe an der Bindungsenergie von SO₂ (− 0.29 eV) auf P-dotiertem WS₂ . In Abb. 6c ist die Orbitalmischung zwischen CO₂ Molekül und P-Atom lag bei − 12.63 und − 9.66 eV. In Abb. 6d ist die Orbitalmischung zwischen H₂ O-Molekül und S-Atome lag bei −9,25 eV. Daher ist die Empfindlichkeit von P-dotiertem WS₂ zu SO₂ war in Gegenwart von CO₂ . leicht zu bewerkstelligen oder H₂ O wenn Bindungsenergie und Orbitalmischung gleichzeitig berücksichtigt wurden.

DOS von a CO₂ , Al-, S- und W-Atome; b H₂ O-, Al-, S- und W-Atome; c CO₂ , P-, S- und W-Atome; und d H₂ O-, P-, S- und W-Atome

Die Einzelatomdotierung (3,7 % Dotierungskonzentration) wurde in den obigen Teilen diskutiert. In Anbetracht der Tatsache, dass unterschiedliche Dotierungskonzentrationen einen Einfluss auf die Sensorleistung hatten, wurde der Fall der zweiatomigen Dotierung (7,4% Dotierungskonzentration) auch in der 3 × 3 WS₂ . diskutiert Modell. S-Atome wurden noch durch Dotieratome ersetzt. Es gab vier Situationen für Dotierungsstellen, die in S8 gezeigt sind. Für das Al-dotierte WS₂ , wurden sie als 2Al-1, 2Al-2, 2Al-3 bzw. 2Al-4 bezeichnet. Für das P-dotierte WS₂ , wurden sie als 2P-1, 2P-2, 2P-3 bzw. 2P-4 bezeichnet. Dann wurde die Bildungsenergie jedes Dotierungssystems berechnet, um die Schwierigkeit der Bildung dieser Strukturen zu bewerten. Je geringer die Energiebildung ist, desto leichter ist die Konfigurationsbildung. Die Ergebnisse der Energiebildung sind in Tabelle S4 dargestellt. Die 2Al-1-Struktur wurde gewählt, da sie unter den vier Fällen die niedrigste Bildungsenergie aufweist. In ähnlicher Weise wurden 2P-1 und 2P-3 gewählt, da sie benachbarte Formationsenergien haben.

Gemäß den Ergebnissen der Bandstruktur (Abb. S6), Al-dotiertes WS₂ hatte eine ausgezeichnete Adsorptionsleistung für NO und SO₂ als NO₂ wenn die Dotierungskonzentration 3,7 % betrug. Und P-dotiertes WS₂ hatte gegenüber NO eine bessere Adsorptionsleistung als NO₂ und SO₂ . Daher gilt für Al-dotiertes WS₂ , nur NO und SO₂ wurden berücksichtigt, wenn die Dotierungskonzentration 7,4 % betrug. Für P-dotiertes WS₂ , es wurde nur NEIN berücksichtigt. Darauf aufbauend wurde der Einfluss der Dotierungskonzentration auf die Adsorptionsleistung untersucht. Die stabilsten Adsorptionsstrukturen sind in Abb. S9 gezeigt und die Ergebnisse der Bindungsenergie sind in Tabelle S5 gezeigt. Die DOS dieser Systeme sind in Abb. 7 dargestellt. In Abb. 7a betrug die Orbitalmischung zwischen NO-Molekül und Al-Atomen −6,51, −3,25 bzw. −0,75 eV. Die Orbitalmischung zwischen NO-Molekül und S- sowie W-Atomen lag bei 1,78 eV. In Abb. 7b ist die Orbitalmischung zwischen SO₂ -Molekül und S-Atomen lag bei −19,69 eV. Die Orbitalmischung zwischen SO₂ -Molekül und S sowie Al-Atome lagen bei −10,91 eV. In Abb. 7c lag die Orbitalmischung zwischen NO-Molekül und P-Atomen bei −7,67 eV. Die Orbitalmischung lag bei −0.86 eV zwischen NO-Molekül und P- sowie W-Atomen. Die Orbitalmischung lag bei − 2.39 eV zwischen NO-Molekül und P-, S- sowie W-Atomen. In Abb. 7d lag die Orbitalmischung zwischen NO-Molekül und W-Atomen bei −12.55 bzw. −0.76 eV. Beim Vergleich von Fig. 7a mit Fig. 5a kann beobachtet werden, dass sich die orbitale Misch- und Bindungsenergie verstärkte, was anzeigte, dass 7,4% Al-Dotierungskonzentration eine höhere NO-Adsorptionsleistung als 3,7% induzierte. Beim Vergleich von Fig. 7b mit Fig. 5c wurde die Orbitalmischungs- und Bindungsenergie abgeschwächt, was darauf hindeutet, dass 7,4% Al-Dotierungskonzentration ein schlechteres SO₂ . verursachten Adsorptionsleistung als 3,7%. Und die negative Bindungsenergie des 2P-1-Systems war gemäß Tabelle S5 niedriger als die von 2P-3. Daher war die Adsorptionsleistung des 2P-3-Systems im Hinblick auf die Bindungsenergie und die Orbitalmischung schlechter als die des 2P-1-Systems, wenn man die 2P-1-Struktur mit Fig. 5d vergleicht. Beim Vergleich von Fig. 7c mit Fig. 5d wurden die orbitale Misch- und Bindungsenergie verstärkt und die angegebene 7,4% P-Dotierungskonzentration kann eine bessere NO-Adsorptionsleistung als 3,7% bringen. Zusammenfassend konnte beobachtet werden, dass der Einfluss unterschiedlicher Dotierungskonzentrationen auf die Messleistung von P-dotiertem WS₂ war geringer als bei Al-dotiertem WS₂ .

DOS von a NO-, 2Al-1-, S- und W-Atome; b SO₂ , 2Al-1-, S- und W-Atome; c NO-, 2P-1-, S- und W-Atome; und d NO-, 2P-3-, S- und W-Atome. e Bindungsenergien aller Adsorptionssysteme

Andererseits wurden die Bindungsenergien aller Adsorptionssysteme in Form eines Säulendiagramms in Abb. 7e dargestellt. Gemäß Abb. 7e konnten beide Konzentrationen von 3,7 % und 7,4 % Dotierung die Adsorptionsstärke des Systems im Vergleich zum reinen WS₂ . erhöhen System. Für die mit zwei P-Atomen dotierten Systeme verbesserte eine 7,4% Dotierung die Adsorptionsstärke von mehr als 3,7% Dotierung, insbesondere für die NO-Gasadsorption. Bei den mit zwei Al-Atomen dotierten Systemen erhöhte sich die Adsorptionsstärke gegenüber NO-Gas. Während die Adsorptionsstärke an SO₂ oder NO₂ verringert, und zwar in den Fällen mit SO₂ stärker zurückgegangen als die Fälle mit NO₂ . Insgesamt hatte die Erhöhung der Dotierungskonzentration einen größeren Einfluss auf die Adsorptionsstärke von Al-dotierten Systemen als von P-dotierten.

Schlussfolgerung

In dieser Arbeit wurden unter Verwendung erster Prinzipien theoretische Berechnungen durchgeführt, um den Einfluss von Al- und P-Dotierstoffen und deren Dotierungskonzentration auf die empfindliche Leistung von WS₂ . zu bewerten in Richtung NEIN, NEIN₂ , und SO₂ Molekül. Die Arbeit untersuchte auch die Selektivität gegenüber Zielgasen in Gegenwart von CO₂ und H₂ O-Gase. Für die Bandstruktur nach der Gasadsorption bedeuteten die Änderung der Bandlücke und niedrige Niveaus nahe dem Fermi-Niveau dotiertes WS₂ hatte großes Potenzial, als Widerstandsgassensor gegenüber NO oder SO₂ . verwendet zu werden . Gemäß den Ergebnissen der Bindungsenergie sind sowohl Al- als auch P-dotiertes WS₂ hatte eine geringere negative Bindungsenergie an Gasmoleküle als das unberührte WS₂ , was die Verbesserung der Adsorptionsstärke aufgrund der Anwesenheit von Verunreinigungen anzeigt. DOS zeigte, dass die Verunreinigung mehr aktivierte Peaks erzeugen und die Orbitalmischung zwischen Gas und Substrat signifikant stimulieren kann, um die Empfindlichkeit des Substratmaterials zu erhöhen. Daher gab es mehr Ladungstransfer und stärkere Bindungswechselwirkung zwischen Gasmolekülen und dotiertem WS₂ Material. Außerdem ist die Empfindlichkeit von P-dotiertem WS₂ zu NEIN und NEIN₂ es war fast unmöglich, von CO₂ beeinflusst zu werden und H₂ O, während das zu SO₂ würde sich in Gegenwart von CO₂ . ändern oder H₂ O. Die Empfindlichkeit von Al-dotiertem WS₂ zu NO wurde leicht von H₂ . beeinflusst O aber schwer von CO₂ zu beeinflussen . Die Empfindlichkeit von Al-dotiertem WS₂ zu NO₂ und SO₂ war schwer von CO₂ zu beeinflussen und H₂ O. Für die NO-Erkennung das Al- und P-dotierte WS₂ mit einer Dotierstoffkonzentration von 7,4% hatte bessere Empfindlichkeitseigenschaften als die mit einer Dotierstoffkonzentration von 3,7%. Während für SO₂ Sensing, Al-dotiertes WS₂ mit einer Dotierstoffkonzentration von 7,4% hatte eine ausgeprägtere Schwächungsreaktionsleistung als die mit einer 3,7%igen Dotierstoffkonzentration. Der Einfluss der Dotierungskonzentration auf die Messleistung von P-dotiertem WS₂ war kleiner als die von Al-dotiertem WS₂ . Daher könnten unsere umfassenden Berechnungen dotierten zweidimensionalen Materialien eine wertvolle Referenz für die Erkennung schädlicher Gase liefern.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

TMDs:

Übergangsmetalldisulfide

DFT:

Dichtefunktionaltheorie

LDA:

Näherung der lokalen Dichte

DNP:

Doppelte numerische plus Polarisation

DOS:

Dichte der Zustände

PDOS:

Partielle Zustandsdichte

LUMO:

Niedrigstes unbesetztes Molekülorbital

HOMO:

Höchstes besetztes Molekülorbital