home Технология производства Производственное оборудование
Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Монослой MoTe2, легированный Rh, как многообещающий кандидат для обнаружения и удаления разложившихся частиц SF6:исследование DFT

Аннотация

В этой работе адсорбционные и сенсорные свойства MoTe, легированного Rh 2 (Rh-MoTe 2 ) монослой на SO 2 , SOF 2 , и SO 2 F 2 исследуются с использованием теории первых принципов, в которой поведение легирования Rh на чистом MoTe 2 поверхность также включена. Результаты показывают, что T Mo является предпочтительным местом для допинга резус-фактора с E b - 2,69 эВ, а на Rh-MoTe 2 поверхность, SO 2 и SO 2 F 2 идентифицируются как хемосорбция с E ad - 2,12 и - 1,65 эВ соответственно, а SOF 2 физически адсорбируется с E ad - 0,46 эВ. Анализ DOS подтверждает эффективность адсорбции и иллюстрирует электронное поведение легирования Rh при адсорбции газа. Анализ ленточной структуры и пограничных молекулярных орбиталей обеспечивает основной механизм восприятия Rh-MoTe 2 монослой как сенсор резистивного типа. Поведение при восстановлении поддерживает потенциал поверхности, легированной Rh, как многоразового SO 2 датчик и предлагает изучить его в качестве поглотителя газа для удаления SO 2 F 2 в SF 6 изоляционные устройства. Диэлектрическая функция показывает, что Rh-MoTe 2 monolayer - перспективный оптический сенсор для селективного детектирования трех газов. Эта работа полезна для изучения Rh-MoTe 2 монослой в качестве чувствительного материала или адсорбента газа, чтобы гарантировать безопасную работу SF 6 изоляционные устройства простым и высокоэффективным способом.

Введение

SF 6 изоляционные устройства в энергосистемах с высоким или сверхвысоким напряжением являются одним из видов наиболее важного и дорогостоящего оборудования [1,2,3], за исключением электрических трансформаторов [4, 5], чтобы гарантировать безопасную работу всей системы. Этот вклад объясняется сильным дугогасящим свойством и высокой электроотрицательностью SF 6 газ, который в таких устройствах играет роль изолирующей среды [6]. Однако в долгосрочной версии SF 6 еще может быть разложен на несколько сульфидов с низким содержанием фтора за счет мощности частичного разряда, вызванного неизбежными внутренними дефектами оборудования [7, 8]. Более того, эти побочные продукты будут далее взаимодействовать с окружающими следами воды и кислорода, образуя некоторые стабильные химические вещества, такие как SO 2 , SOF 2 , и SO 2 F 2 и вместо этого ухудшает изоляционные свойства SF 6 [9]. Таким образом, обнаружение этих разложившихся частиц считается эффективным способом оценки состояния разложения SF 6 и отражать рабочее состояние соответствующих изоляционных устройств [10].

С растущим вниманием к дихалькогенидам переходных металлов (ДПМ) MoS 2 предложены датчики для обнаружения SF 6 разложившиеся виды [11,12,13]. Эти отчеты продемонстрировали уместность и превосходство MoS, легированного переходными металлами (TM) 2 монослой для чувствительных компонентов, включая SO 2 и SOF 2 . Кроме того, было проведено теоретическое исследование сенсорных характеристик первозданного MoTe 2 монослой на SF 6 разложившиеся виды доказывают свою пригодность для обнаружения SO 2 [14]. Более того, последние достижения в области химического осаждения из паровой фазы (CVD), используемого для крупномасштабного синтеза TMD, в значительной степени ускоряют разработку MoTe 2 монослой для обнаружения газов [15,16,17]. Как сообщается, MoTe 2 Монослой обладает выдающейся подвижностью носителей, большой длиной связи и низкой энергией связи, что обеспечивает ему высокую чувствительность при взаимодействии газов при комнатной температуре [18]. Таким образом, есть надежда, что MoTe 2 монослой - довольно многообещающий кандидат для обнаружения газов, и его применение для обнаружения SF 6 разложившиеся виды требуют дальнейшего изучения.

Хорошо доказано, что 2D-наноматериалы, легированные TM, обладают более высокими характеристиками адсорбции и чувствительности к газообразным молекулам по сравнению с нетронутыми поверхностями [19,20,21,22]. Это из-за замечательной химической активности и каталитического поведения ТМ, d орбиталь может сильно гибридизоваться с этими адсорбированными молекулами, облегчая хемосорбцию и увеличивая перенос заряда [23,24,25]. Что касается MoTe 2 монослой, насколько нам известно, имеется мало теоретических сообщений о поведении ТМ-легирования на его монослое; Между тем, связанные адсорбционные и сенсорные свойства MoTe, легированного TM 2 монослой на газах также менее изучен. Среди ТМ-элементов родий (Rh) с сильными каталитическими характеристиками был продемонстрирован в качестве желательной добавки ТМ на других наноповерхностях для адсорбции газа [26, 27]. В частности, исх. [26] исследует поведение легирования Rh на MoSe 2 . монослой и его улучшенные характеристики по адсорбции токсичных газов. В связи с этим было бы интересно использовать теорию основных принципов для изучения поведения Rh-допинга на менее изученном MoTe 2 монослой, чтобы сравнить их геометрические свойства и лучше понять легирование Rh на TMD. Кроме того, адсорбционные и сенсорные характеристики MoTe, легированного Rh 2 (Rh-MoTe 2 ) монослой на трех SF 6 разложившиеся виды, а именно SO 2 , SOF 2 , и SO 2 F 2 , были также теоретически смоделированы, чтобы изучить его потенциальное применение в некоторых типичных областях. Электронное и оптическое поведение Rh-MoTe 2 монослой после адсорбции газа обеспечивает основные механизмы обнаружения для его исследования в качестве датчика сопротивления или оптического датчика газа для обнаружения SF 6 разложившиеся виды. Поведение при десорбции подтверждает потенциал Rh-MoTe 2 монослой в качестве поглотителя газа для удаления этих ядовитых газов в SF 6 изоляционные устройства, что с другой стороны гарантирует безопасную работу энергосистемы. Эта работа будет иметь смысл предложить новый наночувствительный материал и его применение для оценки рабочего состояния SF 6 изоляционные устройства простым и высокоэффективным способом.

Подробные сведения о вычислениях

Все результаты были получены в Dmol 3 пакет [28], основанный на теории первых принципов. Метод DFT-D, предложенный Гриммом, был принят [29] для лучшего понимания силы Ван-дер-Ваальса и дальнодействующих взаимодействий. Функция Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) с обобщенным градиентным приближением (GGA) использовалась для обработки членов электронного обмена и корреляции [30]. Двойная числовая плюс поляризация (ДЧП) использовалась в качестве базиса атомных орбиталей [31]. Пакет Monkhorst k -точечная сетка 7 × 7 × 1 была определена для оптимизации геометрии суперячейки, в то время как более точная k -точка 10 × 10 × 1 была выбрана для расчета электронной структуры [32]. Точность допуска энергии, максимальная сила и смещение были выбраны как 10 - 5 . Ха, 2 × 10 - 3 Га / Å, и 5 × 10 - 3 Å [33] соответственно. Для расчетов статической электронной структуры, энергия самосогласованного контура 10 - 6 Ha, глобальный радиус обрезания орбиты 5,0 Å для обеспечения точных результатов по полной энергии [34].

MoTe 2 монослой с суперячейкой 4 × 4 и вакуумной областью 15 Å, содержащей 16 атомов Mo и 32 Te, был установлен для выполнения всех расчетов, представленных ниже. Было доказано, что суперячейка 4 × 4 достаточно велика, чтобы проводить процесс адсорбции газа, в то время как пластина 15 Å подходит для предотвращения взаимодействия между соседними единицами [35]. Кроме того, в этой работе использовался метод Хиршфельда [36] для анализа атомного заряда примеси Rh ( Q Rh ) и молекулярный заряд адсорбированных молекул ( Q T ). Следовательно, положительное значение Q Rh ( Q T ) означает, что примесь Rh (молекула газа) является донатором электронов, а отрицательный Q Rh или Q T указывает на соответствующее электроноакцепторное поведение. Только самые выгодные конфигурации Rh-MoTe 2 однослойные и адсорбционные системы построены и проанализированы в следующих частях.

Результаты и обсуждение

Анализ Rh-MoTe 2 Монослой

На Rh-MoTe 2 монослоя рассматриваются четыре возможных сайта адсорбции, обозначенные как T H (над центром шестиугольного кольца MoTe 2 ), Т Мо (вверху атома Mo), T Te (вверху атома Te) и T B (мостик между двумя атомами Те) соответственно. Энергия связи ( E b ) для легирования Rh на MoTe 2 монослой формулируется как:

$$ {E} _ {\ mathrm {b}} ={E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} - {E} _ {\ mathrm {Rh}} - {E} _ {{\ mathrm {MoTe}} _ 2} $$ (1)

где \ ({E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} \), E Rh , а \ ({E} _ {{\ mathrm {MoTe}} _ 2} \) представляют энергии Rh-MoTe 2 монослой, атомы Rh и чистый MoTe 2 монослой соответственно.

Исходя из этого определения, наиболее стабильная конфигурация (MSC) с самым низким E b в соответствии с соответствующей плотностью электронной деформации (EDD) Rh-MoTe 2 монослой изображен на рис. 1. Можно видеть, что примесь Rh удерживается на T Mo сайт, образующий три ковалентные связи с соседними атомами Te на верхнем слое MoTe 2 монослой. Три связи Rh-Te равны 2,54 Å, что короче суммы ковалентных радиусов атомов Rh и Te (2,61 Å [37]), что указывает на образование химических связей при легировании Rh на MoTe 2 слой. Вычисленное E b этой конфигурации составляет -2,69 эВ, что намного больше, чем у -2,14 эВ для T H сайт, - 1,28 эВ для T Te сайт, и - 2,55 эВ для T B сайт. Стоит отметить, что связи Rh-Te в Rh-MoTe 2 монослой длиннее, чем у связей Rh-Se в Rh-MoSe 2 монослой и E b для Rh-допинга меньше на MoTe 2 поверхность по сравнению с MoSe 2 аналог. Это указывает на более сильную связывающую силу Rh-Se, чем связи Rh-Te. Согласно методу Хиршфельда, примесь Rh ведет себя как акцептор электронов во время процесса легирования, который получает 0,045 e от MoTe 2 поверхность, доказывающая ее электронно-акцепторное поведение при поверхностном легировании [26]. Это соответствует EDD, в которой атом Rh в основном окружен скоплением электронов.

MSC ( a ) и связанных с ними EDD ( b ) Rh-MoTe 2 монослой. В EDD зеленые (розовые) области указывают на накопление (истощение) электронов. Изоповерхность 0,005 э / Å 3

Зонная структура (BS) и плотность состояния (DOS) Rh-MoTe 2 Система изображена на рис. 2, чтобы лучше понять вызванное изменение электронного поведения MoTe 2 поверхность за счет Rh легирования. Сообщается, что нетронутый MoTe 2 монослой имеет прямую запрещенную зону 1,10 эВ [38]. На рис. 2а запрещенная зона Rh-MoTe 2 монослой согласно расчетам составляет 0,937 эВ. Это указывает на то, что примесь Rh индуцирует несколько примесных состояний в запрещенной зоне MoTe 2 система, соответственно сужая запрещенную зону всей системы. Кроме того, вершина валентной зоны локализована на Г точка, а дно зоны проводимости находится на K точка, подразумевающая непрямое полупроводниковое свойство для Rh-MoTe 2 система. На рис. 2b видно, что состояния примеси Rh вносят значительный вклад в верхнюю часть зоны проводимости исходного MoTe 2 монослой и формирование нескольких новых пиков DOS вокруг уровня Ферми. Эти пики, по-видимому, изменяют электронное поведение всей системы, соответственно уменьшая ее электропроводность. Поскольку примесь Rh задерживается на T Mo сайта, образующего связи с атомами Te, нанесены атомные плотности состояний атомов Rh и Te, чтобы понять поведение электронной гибридизации между ними. Как показано на рис. 2c, Rh 4 d орбиталь сильно гибридна с Te 5 p орбиталь от -5 до 2 эВ, что объясняет значительное связывающее взаимодействие, которое приводит к образованию химических связей Rh-Te.

а BS Rh-MoTe 2 монослой; б Сравнение DOS между чистым и Rh-легированным MoTe 2 монослой; и c орбитальная плотность состояний связи атомов Rh и Te. Уровень Ферми равен 0

Конфигурации адсорбции газа Rh-MoTe 2 Монослой

На основе расслабленной структуры Rh-MoTe 2 монослой, адсорбция SO 2 , SOF 2 , и SO 2 F 2 молекулы на его поверхность вокруг центра Rh полностью смоделированы. Перед этим также следует оптимизировать геометрические структуры трех молекул газа, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S1. Энергия адсорбции ( E ad ) используется для определения наиболее стабильной конфигурации каждой системы, сформулированной как:

$$ {E} _ {\ mathrm {ad}} ={E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2 / \ mathrm {gas}} - {E} _ { \ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} - {E} _ {\ mathrm {gas}} $$ (2)

в котором \ ({E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2 / \ mathrm {gas}} \) и \ ({E} _ {\ mathrm {Rh} \ hbox {-} {\ mathrm {MoTe}} _ 2} \) - полная энергия Rh-MoTe 2 монослой до и после адсорбции, тогда как E газ - энергия изолированной молекулы газа. Согласно этому определению, MSC с наименьшим E ad можно было бы идентифицировать.

Чтобы лучше понять поведение переноса заряда во время адсорбции газа, EDD также рассчитывается для каждой конфигурации. Подробная информация для SO 2 , SOF 2 , и SO 2 F 2 адсорбцию можно увидеть на рис. 3, 4 и 5 соответственно. Кроме того, параметры адсорбции, включая E ad , перенос заряда ( Q T ) и длине связи ( D ) перечислены в таблице 1.

MSC ( a ) и EDD ( b ) Rh-MoTe 2 / SO 2 система. В EDD зеленые (розовые) области указывают на накопление (истощение) электронов, а изоповерхность равна 0,005 э / Å 3

То же, что и на рис. 3, но для Rh-MoTe 2 / SOF 2 система

То же, что и на рис. 3, но для Rh-MoTe 2 / SO 2 F 2 система

Для SO 2 адсорбция на Rh-MoTe 2 монослоя, из рис. 3 видно, что SO 2 молекула в основном параллельна MoTe 2 слой с одним атомом O и одним атомом S, захваченными примесью Rh. Как указано в Таблице 1, размеры вновь образованных связей Rh-O и Rh-S составляют 2,16 и 2,36 Å, соответственно, что указывает на сильную силу связывания между примесью Rh и SO 2 молекула. Кроме того, E ad получается как -1,65 эВ, что подразумевает хемосорбцию SO 2 система, а Q T получается как -0,333 e, что подразумевает электроноакцепторное поведение SO 2 . После адсорбции добавка Rh заряжается отрицательно на 0,017 е, что означает, что она вносит 0,028 е в адсорбированный SO 2 а другая часть заряда (0,305) исходит от MoTe 2 монослой. По сравнению с параметрами адсорбции в MoTe 2 / SO 2 система ( E ad =- 0,245 эВ; Q T =- 0,086 е; Д =3,44 Å [14]), можно сделать вывод, что легирование Rh в значительной степени усиливает поведение реакции и электронное перераспределение для MoTe 2 монослой на SO 2 адсорбция, что делает адсорбент очень желательным для взаимодействия с газами. Более того, связи S-O в SO 2 молекулы по отдельности удлиняются до 1,50 и 1,58 Å после адсорбции по сравнению с равными 1,48 Å в газовой фазе; три связи Rh-Te в Rh-MoTe 2 монослой удлинен до 2,58, 2,58 и 2,64 Å соответственно. Эти деформации подразумевают геометрическую активацию во время адсорбции как для наноадсорбента, так и для газообразного адсорбата, что дополнительно подтверждает сильную хемосорбцию здесь. Из распределения EDD обнаружено, что SO 2 молекула окружена скоплением электронов, что согласуется с анализом Хиршфельда; и накопление электронов в значительной степени окружает связи Rh-S и Rh-O, что предполагает гибридизацию электронов с образованием новых химических связей.

В Rh-MoTe 2 / SOF 2 В системе, представленной на рис. 4, SOF 2 Молекула предпочитала приближаться к примеси Rh по положению O-конца, а плоскость, состоящая из атома S и двух атомов F, почти параллельна MoTe 2 слой. Однако нет никаких очевидных свидетельств, свидетельствующих об образовании новых связей между допантом Rh и SOF 2 молекула. Ближайшее расстояние до Rh-O составляет 2,25 Å, что немного больше, чем в SO 2 . система, и SOF 2 молекула не претерпевает больших геометрических деформаций после взаимодействия. Эти данные свидетельствуют об относительно более слабой адсорбционной способности Rh-MoTe 2 монослой на SOF 2 по сравнению с SO 2 . Как показано в таблице 1, E ad рассчитывается как -0,46 эВ, снова подтверждая физическую сорбцию [39], а Q T получается как 0,040 е, что подразумевает электронодонорное поведение SOF 2 . По данным EDD видно, что скопление электронов в основном локализовано в области между SOF 2 молекула и примесь Rh, что подразумевает некоторую гибридизацию между ними, в то время как электронное истощение SOF 2 молекула согласуется с анализом Хиршфельда.

С точки зрения SO 2 F 2 В адсорбционной системе, как показано на рис. 5, обнаружено, что после оптимизации SO 2 F 2 молекула имеет тенденцию быть разделенной на атом F и SO 2 Группа F. Оба захватываются примесью Rh, образуя связь Rh-F и связь Rh-S, соответственно, с соответствующей длиной связи 2,02 и 2,26 Å. Вновь образованные связи указывают на сильную связывающую силу между примесью Rh и SO 2 F 2 молекула, которая в сочетании с рассчитанным E ad 2,12 эВ свидетельствует о хемосорбционной природе для легированной Rh поверхности при SO 2 F 2 адсорбция, аналогичная адсорбции SO 2 система. От EDD накопление электронов в значительной степени локализовано на SO 2 F 2 молекула, что согласуется с результатом Q T (- 0,753 е) на основе анализа Хиршфельда. С другой стороны, большая часть обеднения электронами локализована на примеси Rh, а небольшая - на MoTe 2 монослой. Другими словами, примесь Rh в значительной степени способствует переносу заряда на адсорбированный SO 2 F 2 молекула, проявляющая высокую подвижность электронов и высокую химическую активность [40]. В то же время перекрытие накопления и истощения электронов на связях Rh-S и Rh-F указывает на гибридизацию электронов в их формировании.

На основании анализа конфигурации и параметров адсорбции можно сделать вывод, что Rh-MoTe 2 монослой обладает лучшими характеристиками при SO 2 F 2 молекула, за которой следует SO 2 и последний идет в SOF 2 . Между тем, примесь Rh может в значительной степени повлиять на распределение электронов в этой системе и, следовательно, резко изменить электронное поведение Rh-MoTe 2 монослой.

Электронное поведение Rh-MoTe 2 Монослой при адсорбции газа

Зонная структура (BS) и плотность состояния (DOS) трех адсорбционных систем показаны на рис. 6, чтобы понять электронное поведение Rh-MoTe 2 монослой в адсорбции газа. Как было проанализировано выше, Rh-MoTe 2 монослой имеет лучшую производительность при SO 2 F 2 адсорбция. Таким образом, из рис. 6 (c2) видно, что молекулярная DOS SO 2 F 2 испытывает выраженные деформации, которые интегрально смещены влево, а некоторые состояния объединяются в большое состояние ниже уровня Ферми. Из рис. 6 (c3), где показана орбитальная DOS, видно, что Rh 4 d orbital сильно гибридизируется с F 2 p орбитальный, и в некоторой степени гибрид с S 3 p орбитальный. С этой точки зрения предполагается, что связь Rh-F сильнее, чем связь Rh-S. В SO 2 система, Rh 4 d orbital сильно гибридизируется с O 2 p орбитальный, а затем S 3 p орбитали на рис. 6 (a3), и можно также предположить, что допант Rh имеет более сильную силу связывания с атомом O, чем с атомом S. Из-за такой гибридизации молекулярная DOS SO 2 на рис. 6 (а2) претерпевает заметную деформацию. Что касается SOF 2 6 (b3) можно видеть, что допант Rh имеет слабую орбитальную гибридизацию с ближайшим атомом O, что поддерживает слабое взаимодействие для SOF 2 адсорбция.

BS и DOS различных систем. (a1) - (a3) ​​SO 2 система; (b1) - (b3) SOF 2 система; и (c1) - (c3) SO 2 F 2 система. В DOS пунктирная линия - это уровень Ферми

Наряду с изменением орбитальной и молекулярной DOS, все состояние адсорбированной газовой системы будет автоматически изменено по сравнению с чистым Rh-MoTe 2 система. Из рис. 6 (a1) - (c1), где изображены BS адсорбированной системы, можно видеть, что BS в SOF 2 система не испытывает значительной деформации по сравнению с изолированным Rh-MoTe 2 системе, а те, что в SO 2 и SO 2 F 2 системы различны, в которых некоторые новые состояния возникают вокруг уровня Ферми, что значительно сужает запрещенную зону. Подробно запрещенная зона Rh-MoTe 2 снижается до 0,863, 0,913 и 0,675 эВ после адсорбции SO 2 , SOF 2 , и SO 2 F 2 , соответственно. Это обеспечивает основной механизм распознавания Rh-MoTe 2 монослой в качестве возможного датчика газа резистивного типа.

Пограничный молекулярно-орбитальный анализ

Для подтверждения результатов, основанных на анализе BS, выполняется теория пограничных молекулярных орбиталей для анализа распределения и энергий пограничных молекулярных орбиталей (FMO) изолированного и адсорбированного в газе Rh-MoTe 2 поверхность. FMO содержит самую высокую занятую молекулу (HOMO) и самую низкую незанятую молекулярную орбиталь (LUMO), а энергетический зазор между ними позволяет оценить электрическую проводимость анализируемой системы [41]. Для получения точных результатов энергий FMO размытие в этой части расчетов установлено на 10 - 4 Å. Распределения и энергии FMO Ru-MoTe 2 монослой до и после адсорбции газа показаны на рис. 7.

Распределения и энергии FMO в a Rh-MoTe 2 система, b SO 2 система, c SOF 2 система и d SO 2 F 2 система

Из рис. 7а можно наблюдать, что HOMO и LUMO в основном локализованы на допанте Rh, что свидетельствует о его высокой реакционной способности в окружающей среде. Энергии HOMO и LUMO были получены как -4,885 и -3,927 эВ, соответственно, с рассчитанной шириной запрещенной зоны 0,958 эВ. После адсорбции трех видов газа, как показано на рис. 7b – d, FMO-распределения Rh-MoTe 2 Поверхности подвержены разной степени деформации, где происходит реакция, приводящая к сближению электронного облака. Наряду с этими деформациями соответственно изменились и энергии FMO. Установлено, что после адсорбции трех газов энергии FMO снижаются в разной степени, в том числе в SOF 2 система опыта наибольшее снижение. Однако энергетическая щель в SOF 2 система претерпевает наименьшие изменения по сравнению с чистым Rh-MoTe 2 система. В частности, запрещенная зона Rh-MoTe 2 монослой (0,958 эВ) уменьшается на 0,044 эВ после SOF 2 адсорбция, при этом снижается на 0,061 и 0,281 эВ после SO 2 и SO 2 F 2 адсорбция соответственно. Эти данные показывают, что электропроводность Rh-MoTe 2 монослой уменьшится после адсорбции трех газов, и это уменьшение будет наиболее значительным в SO 2 F 2 системы, которые согласуются с выводами анализа BS. Кроме того, энергетические щели из пограничной теории молекулярных орбиталей в основном близки к запрещенным зонам из результатов BS, что подразумевает хорошую точность наших расчетов.

Свойство обнаружения ответа и восстановления

Изменения запрещенной зоны Rh-MoTe 2 монослой после адсорбции газа проявляет свое изменение электропроводности в связанной газовой атмосфере [42], что может обеспечить основной механизм обнаружения для исследования Rh-MoTe 2 монослой в качестве газового сенсора резистивного типа. Кроме того, более сильное изменение электропроводности привело бы к более высокой чувствительности обнаружения газа. Для выявления возможности Ru-MoTe 2 монослой как сенсор, его проводимость (σ) и чувствительность ( S ) для трех типичных газов рассчитываются по следующим формулам [43, 44]:

$$ \ sigma =\ mathrm {A} \ cdot {e} ^ {\ left (- {B} _g / 2 kT \ right)} $$ (3) $$ S =\ frac {\ frac {1} { \ sigma _ {\ mathrm {gas}}} - \ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {pure}}}} {\ frac {1} {\ sigma _ {\ mathrm {pure}}}} =\ frac { \ sigma _ {\ mathrm {pure}} \ hbox {-} {\ sigma} _ {\ mathrm {gas}}} {\ sigma _ {\ mathrm {gas}}} $$ (4)

В формуле 3 A - константа, B г ширина запрещенной зоны анализируемой системы, k - постоянная Больцмана, а T рабочая температура. В формуле 4 σ газ и σ чистый соответственно означают электропроводность анализируемой адсорбционной системы и изолированного Rh-MoTe 2 монослой. По таким двум формулам обнаруживается, что S определенной поверхности можно было получить только с ее шириной запрещенной зоны до и после адсорбции газа. После расчета чувствительность Rh-MoTe 2 монослой на SO 2 , SOF 2 , и SO 2 F 2 обнаружения при 298 К составляют 76,3, 37,3 и 99,4% соответственно. Эти данные позволяют предположить, что Rh-MoTe 2 монослой обладают наиболее замечательным чувственным поведением на SO 2 F 2 , за которым следует SO 2 и последний идет в SOF 2 . Этот порядок соответствует результатам анализа параметров адсорбции и электронного поведения. Основываясь на этих результатах, можно надеяться, что Rh-MoTe 2 монослой может реализовать чувствительное обнаружение SO 2 и SO 2 F 2 при комнатной температуре.

Свойство восстановления также важно для оценки возможности повторного использования датчика газа, и для уменьшения времени восстановления (τ) десорбции газа с определенных поверхностей обычно рассматривается метод нагрева, поскольку время восстановления связано с температурой ( T ), сформулированный как [45] \ (\ tau ={A} ^ {- 1} {e} ^ {\ left (- {E} _a / {K} _BT \ right)} \). В этой формуле A частота попыток, относящаяся к 10 12 s - 1 [46], E а - потенциальный барьер, эквивалентный E ad в этой работе и K B постоянная Больцмана (8,318 × 10 - 3 кДж / (моль · К)).

Исходя из формулы, поведение Rh-MoTe 2 при восстановлении монослой при 298, 448 и 598 К изображен на рис. 8. Из этого рисунка видно, что десорбция SO 2 F 2 и SO 2 при комнатной температуре крайне затруднены, а для СОФ 2 время восстановления довольно короткое из-за его слабой силы связи с поверхностью, легированной Rh. При нагревании время восстановления SO 2 F 2 или SO 2 десорбция резко снижается, а при повышении температуры до 598 К время восстановления в SO 2 система (79,48 с) становится подходящей, что позволяет повторно использовать ее в течение нескольких минут. Это поддерживает потенциал Rh-MoTe 2 монослой в качестве многоразового газового сенсора для обнаружения SO 2 . С другой стороны, долгое время восстановления SO 2 F 2 десорбция при 598 К (7,24 × 10 5 ) также отражает здесь сильную хемосорбцию. Хотя продолжение повышения температуры может еще больше сократить время восстановления, термостабильность чувствительного материала и высокое потребление энергии при его применении будут еще одной проблемой. Учитывая все это, Rh-MoTe 2 монослой не подходит в качестве сенсора для SOF 2 обнаружение. Однако это дает нам еще одну мысль предложить Rh-MoTe 2 монослой в качестве адсорбента газа для удаления этого вредного газа в SF 6 изоляционные устройства, что гарантирует их безопасную работу. Более того, эта часть анализа с другого аспекта показывает неприемлемость исследования Rh-MoTe 2 монослой как SO 2 F 2 датчик с учетом слабого взаимодействия с поверхностью.

Recovery time of Rh-MoTe2 monolayer at various temperatures

Optical Behavior of Rh-MoTe2 Monolayer upon Gas Adsorption

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 монослой

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 и SO 2 F2 adsorption, and the blue shift could also be identified in the SOF2 система. 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.

Выводы

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 TMo 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 и SO 2 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.

Доступность данных и материалов

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

Сокращения

TMDs:

Дихалькогениды переходных металлов

TM:

Переходный металл

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA:

Обобщенное приближение градиента

DNP:

Double numerical plus polarization

Q Rh :

Atomic charge of Rh dopant

Q T :

Molecular charge of adsorbed molecules

E b :

Связующая энергия

MSC:

Most stable configuration

EDD:

Electron deformation density

BS:

Band structure

DOS:

Density of state

E ad :

Adsorption energy

D :

Bond length

FMO:

Frontier molecular orbitals

HOMO:

Highest occupied molecular

LUMO:

Самая низкая незанятая молекулярная орбиталь


Наноматериалы

  • Металл
  • Смола
  • волокно
  • Композитный материал
  • Наноматериалы
  • Полимерные материалы
  • Биопрепараты
  • Краситель
  • Специи
    1. Future Electronics:платформа быстрой разработки для тепловидения и ИК-зондирования
    2. ADI:импеданс и потенциостат AFE для биологического и химического зондирования
    3. Интеллектуальная защита цепей и проектирование датчиков для замков и контроля доступа в умном доме
    4. Нановолокна и нити для улучшенной доставки лекарств
    5. Наночастицы для терапии рака:текущий прогресс и проблемы
    6. Достижения и проблемы флуоресцентных наноматериалов для синтеза и биомедицинских приложений
    7. Графен и полимерные композиты для суперконденсаторов:обзор
    8. Магические математические отношения для нанокластеров - исправления и приложение
    9. Ambarella, Lumentum и ON Semiconductor совместно работают над трехмерным зондированием на основе искусственного интеллекта д…
    10. Мягкие сенсорные самовосстанавливающиеся материалы для роботизированных кистей и предплечий