Возможное применение БА для датчика газа для обнаружения молекулы газа SO2:исследование DFT

Введение

БА (гексагональный арсенид бора) состоит из элементов III и V групп. Группы элементов AIIIBV обладают превосходными свойствами, такими как превосходные фотоэлектрические свойства, механические свойства и большая ширина запрещенной зоны [1]. Многообещающие потенциальные применения 2D-материалов [2,3,4,5] были хорошо задокументированы в недавних исследованиях [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 , 20]; эти материалы использовались для распознавания различных биомолекул [21, 22], загрязнителей [23, 24] и молекул газа [25, 26] для разработки подходящих сенсорных устройств. Мы находили все больше и больше групп материалов с элементами III – V, например, BN, AlN, GaN, GaAs и BP, и все больше и больше исследований молекул газа проводились с помощью теоретических расчетов. Strak et al. [27] обнаружили, что AlN (0001) является мощным катализатором для синтеза аммиака при высоком давлении и высокой температуре, и эта работа также подтвердила возможность эффективного синтеза аммиака на поверхности AlN (0001). Diao et al. [28] представили адсорбцию H ₂ О, СО ₂ , CO, H ₂ , и N ₂ на (10–10) поверхностях чистых и легированных цинком нанопроволок GaAs; эффект адсорбции CO ₂ и N ₂ по коэффициентам поглощения был наибольшим. Cheng et al. [29] продемонстрировали адсорбцию большинства молекул газа на чистом БП и легированном БП на основе первопринципных исследований и пришли к выводу, что N-БП более подходит в качестве датчика газа для SO ₂ , НЕТ и НЕТ ₂ из-за наличия процесса десорбции. Камарадж и Венкатесан [30] изучали структуру и электронные свойства БА с помощью DFT и LDA; Хотя в экспериментальном синтезе и теоретическом исследовании БА был достигнут значительный прогресс, результаты нанолистов БА предоставили системе многообещающие применения в наноэлектронике и фотовольтаике.

В этой работе мы сначала исследовали свойства обнаружения газа, чтобы в полной мере использовать возможности БА в качестве датчиков газа с помощью расчетов по теории функционала плотности (DFT). Мы предсказали адсорбционные свойства атмосферных газов (например, CO ₂ , O ₂ , N ₂ , H ₂ О, НЕТ, НЕТ ₂ , NH ₃ , CO и SO ₂ ) на БА на основе первопринципных расчетов. Наша работа продемонстрировала очевидное адсорбционное поведение, умеренный перенос заряда и уникальные характеристики пропускания SO ₂ адсорбция на БА. Результаты показали, что монослойные БА обладают большим потенциалом для SO ₂ приложение для обнаружения.

Теория и метод моделирования

Система моделировалась как сверхъячейка 4 × 4, состоящая из адсорбированных на ней БА и молекул атмосферного газа. В DMol ³ [31] процесс расчета, обменно-корреляционные фракции были рассчитаны в рамках общей аппроксимации градиента (GGA) с помощью Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [32]. Зона Бриллюэна была отобрана с использованием k-точечной сетки Монкхорста-Пак 5 × 5 × 1 и размытия Метфесселя-Пакстона 0,01 Ry. Все атомные структуры были расслаблены до тех пор, пока полная энергия и сила Геллмана-Фейнмана не сойдутся до 1.0 × 10 ⁻⁵ эВ и 0,06 эВ / Å [33].

Чтобы оценить взаимодействие между молекулами газа и поверхностью адсорбционной пленки, мы рассчитали энергию адсорбции ( E _ad ) адсорбированных систем, который был определен как:

где E _{БА + молекула газа} - полная энергия адсорбированной БА системы, E _BA - энергия БА, а E _{молекула газа} - энергия молекулы газа. Все энергии были рассчитаны для оптимизированных атомных структур. Перенос заряда был исследован методом популяционного анализа Малликена.

Результат и обсуждение

В данной работе рассматривались три адсорбционных центра для БА:вершина атома бора (B), вершина атома мышьяка (As) и центр гексагонального B-As (центр), как показано на рис. 1a. . Мы изучили наличие атмосферы и нашли лучший датчик газа.

а Схематическое изображение главных сайтов и центральных сайтов на БА. б ДОС БА

Прежде всего, была оптимизирована геометрическая структура исходного монослоя БА, и, как показано на рис. 1б, длина связи БА составила 1,967 Å. В зонной структуре листа BAs наблюдалась непрямая запрещенная зона 1,381 эВ, которая была меньше, чем у объемной структуры. Эти значения хорошо согласуются с ранее сообщенными значениями (рис. 2) [34, 35].

Наиболее энергетически выгодные адсорбционные конфигурации молекул газа:N ₂ ( а ), O ₂ ( б ), CO ₂ ( c ), H ₂ O ( d ), CO ( e ), НЕТ ( f ), НЕТ ₂ ( г ), NH ₃ ( ч ) и SO ₂ ( я ) на однослойных БА

Тем временем мы проанализировали энергию адсорбции, перенос заряда и расстояние между молекулами и поверхностью БА. Окончательный результат показан в Таблице 1.

N ₂ адсорбция: Адсорбция N ₂ молекула газа на БА исследована для трех конфигураций N ₂ / БА, а именно. верхняя сторона атома B, верхняя сторона атома As и центр гексагонального кольца над поверхностью BAs, а ближайшее расстояние составляло 3,764 Å, 3,549 Å и 3,65 Å, а соответствующая энергия адсорбции составляла -0,24 эВ, -0,27 эВ и - 0,24 эВ соответственно. Центр имел лучшую энергию адсорбции и наиболее стабильную структуру. Энергия адсорбции N ₂ БА был - 0,24 эВ, перенос заряда от БА к N ² Молекула газа составляла 0,014e, а расстояние между N2-BAs составляло 3,65 Å. Рис. 3а показывает, что имеется много линий под уровнем энергии Ферми, а соответствующая плотность состояний имеет несколько пиков под уровнем энергии Ферми. Как показано на рисунке, N ₂ Молекула газа имела четыре пика, которые оказывали определенное влияние на БА, в основном от -5 до 0 эВ, и имели большой вклад в DOS. В целом эффект N ₂ адсорбция молекул газа на БА была плохой.

Плотность состояний (DOS) N ₂ / BAs ( a ), O ₂ / BAs ( b ), CO ₂ / BAs ( c ), H ₂ O / BA ( d ), CO / BA ( e ), NO / BA ( f ), НЕТ ₂ / BAs ( g ), NH ₃ / BAs ( h ) и SO ₂ / BAs ( i )

О ₂ адсорбция: О ₂ молекула газа имела тенденцию адсорбироваться в центральной точке. Энергия адсорбции O ₂ / BAs было - 0,35 эВ, а расстояние O ₂ -BAs было 2,90 Å. Общая структура бэндов и DOS для O ₂ / BAs были нанесены на рис. 3. Было очевидно, что дополнительная линия пересекает нулевую точку и уменьшает ширину запрещенной зоны; О ₂ Молекула газа имела пик при –1–0 эВ и влияла на плотность состояний выше уровня Ферми. Анализ заселенности для переноса заряда по Малликену показал, что - 0,172e было перенесено с поверхности BA на O ₂ молекула газа, предполагая, что O ₂ молекула газа выступала в роли акцептора. В общем, O ₂ адсорбция молекул газа на БА была лучше, чем N ₂ .

CO ₂ адсорбция: CO ₂ Молекула газа имеет тенденцию адсорбироваться на вершине атома As. Энергия адсорбции CO ² / BAs было - 0,28 эВ, перенос заряда от BA к CO ² молекула газа была -0,018e, а расстояние CO ² -BAs составлял 3,55 Å. Как показано на рис. 3, по сравнению с исходными БА структура не претерпела видимых изменений, и были некоторые очевидные гребни волн с энергией -9 эВ в DOS, которые имели большой вклад в DOS. Этот момент также подчеркивает адсорбцию CO ₂ молекула газа БА. Результаты показали, что адсорбционный эффект и чувствительность БА к CO ₂ молекулы газа были общими.

H ₂ Адсорбция O: H ₂ Молекула газа O имеет тенденцию адсорбироваться на вершине атома As. Энергия адсорбции H ² O / BAs было - 0,38 эВ, перенос заряда от BA к H ² Молекула газа O была -0,03e, а расстояние до H ² O-BAs 3,63 Å. Как показано на рис. 3, существенных изменений в структуре по сравнению с исходными БА не произошло. Уровень Ферми Al-G явно увеличился и переместился в валентную зону. В общем, H ₂ Адсорбция молекул газа О на БА не учитывалась.

Адсорбция CO: Молекула газа CO имеет тенденцию адсорбироваться на вершине атома As. Энергия адсорбции CO / BA составляла -0,27 эВ, перенос заряда от BA к газовой молекуле CO составлял -0,024e, а расстояние между CO-BA составляло 3,50 Å. Полная плотность состояний (DOS) и зонная структура для BAs-CO показаны на рис. 3. Молекула газа CO и атом As сыграли огромную роль в влиянии пика 3–4 эВ на DOS. Однако не было отклонения в DOS в диапазоне от -7 до 4 эВ, что свидетельствует о еженедельной адсорбции CO на БА. Был очевидный гребень волны с энергией от -3 до 1 эВ и 3 эВ, который имел большой вклад в DOS. Анализ населения для переноса заряда по Малликену показал, что заряд - 0,024e был передан с поверхности BAs на молекулу газа CO, и предположил, что молекула газа CO действовала как акцептор. В целом влияние адсорбции молекул CO на БА не было особым.

БЕЗ адсорбции: Молекула газа NO имеет тенденцию адсорбироваться на вершине атома B. Энергия адсорбции NO / BA составляла -0,18 эВ, перенос заряда составлял -0,01e от молекулы газа NO к BA, а расстояние между NO-BA составляло 2,86 Å. На уровне энергии Ферми было много линий. Было обнаружено, что запрещенная зона в средней зоне уменьшает значение ширины запрещенной зоны. Судя по диаграмме плотности состояний, был дополнительный пик волны над уровнем энергии Ферми, но было небольшое изменение под уровнем энергии Ферми, относительно стабильным на рис. 3. Смешивание орбиталей вызвало небольшую передачу заряда и перераспределение по взаимодействующим область. Популяционный анализ переноса заряда по Малликену показал, что заряд 0,01e был передан с поверхности BAs на молекулу NO, что позволяет предположить, что NO действовал как донор. Не было отклонений в DOS в диапазоне от -7 до 4 эВ, что свидетельствует о еженедельной адсорбции NO на БА.

НЕТ ₂ адсорбция: НЕТ ₂ Молекула газа имеет тенденцию адсорбироваться на вершине атома As. Энергия адсорбции NO ₂ / BAs было -0,43 эВ, а расстояние до NO ₂ -BAs было 2,47 Å. Интересно то, что нулевая точка полосы пересекала прямую линию сразу после адсорбции NO ₂ молекула газа, что означало, что БА, являющийся полупроводником, был преобразован в атрибут золота; ширина запрещенной зоны составляла 0 эВ. В целом не было значительных изменений, и пик был получен примерно при -3 эВ из-за NO ₂ молекулярная адсорбция газов. Был очевидный гребень волны с энергией -7 эВ и 2 эВ, который имел большой вклад в DOS. В общем, адсорбция NO ₂ БА был лучше, чем у нескольких вышеуказанных молекул.

NH ₃ адсорбция: NH ₃ Молекула газа имеет тенденцию адсорбироваться на вершине атома As. Энергия адсорбции NH ³ / BA было -0,34 эВ, перенос заряда от NH ³ от молекулы газа до BA было 0,007e, а расстояние от NH ³ -BA было 3,27 Å. Не было явного изменения энергетической полосы и плотности состояний, за исключением явного пика адсорбции NH ₃ молекула газа ниже уровня Ферми. NH ₃ Молекула газа оказывала небольшое влияние на БА в диапазоне от –8 до –4 эВ, образуя пик 15 эВ. Эффект адсорбции и чувствительность БА к NH ₃ молекулы газа были общими.

ТАК ₂ адсорбция: SO ₂ молекула газа имеет тенденцию адсорбироваться в центральной точке, энергия адсорбции SO ₂ / BAs было -0,92 эВ, и анализ заселенности для переноса заряда по Малликену показал, что заряд -0,179e был перенесен с поверхности BA на SO ₂ молекула газа, предполагая, что SO ₂ молекула газа действует как акцептор. Расстояние SO ₂ / BAs составила 2,46 Å. По сравнению с другими молекулами газа, SO ₂ / BA имели самую большую энергию адсорбции, второй по величине перенос электронов и самое короткое расстояние среди SO ₂ -БА. Как показано на рис. 3, валентная полоса BA имеет очевидный рост, а запрещенная зона уменьшена, и из-за адсорбированного SO ₂ молекулы газа, по плотности состояний было видно, что имеется еще один волновой пик при -7,5 эВ и некоторый перенос на уровне Ферми. Адсорбция SO ₂ бакалавриата дали отличный эффект.

На рис. 4i показана диаграмма электронной плотности SO ₂ . / БА и локальное перекрытие электронов БА и SO ₂ молекула газа. На основании этого мы сделали вывод, что адсорбция SO ₂ БА - физическая адсорбция. Расчет WF, показанный на рис. 5, имел большое значение для изучения возможности регулирования электронных и оптических свойств (таких как спектры поглощения и функции потерь энергии) путем адсорбции небольших молекул. Работа выхода была определена в физике твердого тела как минимальная энергия, необходимая для перемещения электрона из внутренней части твердого тела на поверхность объекта. Работа выхода исходных БА составила 4,84 эВ. NO и NH ₃ молекулы газа были донорами при переносе заряда, и их работа выхода уменьшилась; работа выхода составила 4,80 и 4,68 эВ соответственно. Работа выхода N ₂ / BAs, CO ₂ / BAs и CO / BAs были такими же, как и у BA. Работа выхода O ₂ / BAs, NO ₂ / BAs и SO ₂ / BAs был выше, чем BAs. В сочетании с приведенной выше энергией адсорбции, расстоянием между молекулами газа и поверхностью БА, переносом заряда и работой выхода мы обнаружили, что SO ₂ Молекула газа была наиболее подходящей для материалов БА.

Электронная плотность для чистого N ₂ / BAs ( a ), O ₂ / BAs ( b ), CO ₂ / BAs ( c ), H ₂ O / BA ( d ), CO / BA ( e ), NO / BA ( f ), НЕТ ₂ / BAs ( g ), NH ₃ / BAs ( h ) и SO ₂ / BAs ( i )

Рабочая функция БА № ₂ / BAs, O ₂ / BAs, CO ₂ / BAs, H ₂ O / BAs, CO / BAs, NO / BAs, NO ₂ / BAs, NH ₃ / BAs и SO ₂ / Бакалавриат

Заключение

Нами представлены структурные и электронные свойства БА с адсорбентом N ₂ . , O ₂ , CO ₂ , H ₂ О, СО, НЕТ, НЕТ ₂ , NH ₃ , и SO ₂ молекула газа, используя метод теории функционала плотности. В энергии адсорбции SO ₂ > НЕТ ₂ > H ₂ O> O ₂ > NH ₃ > CO ₂ > CO> N ₂ > НЕТ и ТАК ₂ <НЕТ ₂ <НЕТ 2 3 2 2 O 2 в адсорбционном расстоянии. НЕТ ₂ имеет самый большой Q и работа выхода, возможно, это может быть обнаружено предложенным материалом из-за хорошего электрического отклика. SO ₂ Молекула газа имела лучшую энергию адсорбции, кратчайшее расстояние для молекулы газа и поверхности БА и определенную величину переноса заряда. В сочетании с вышеуказанной энергией адсорбции, расстоянием между молекулой газа и поверхностью БА, переносом заряда и работой выхода ток и изменение тока БА, вызванное адсорбцией, демонстрируют сильные анизотропные характеристики. Такая чувствительность и избирательность к SO ₂ Адсорбция молекул газа делает БА желанным кандидатом в качестве превосходного датчика газа.

Сокращения

BA:

Гексагональный арсенид бора

DOS:

Плотность состояний

WF:

Рабочая функция