Monocouche de MoTe2 dopé Rh comme candidat prometteur pour la détection et le piégeage des espèces décomposées dans le SF6 :une étude DFT

Introduction

SF₆ les dispositifs d'isolation, dans les systèmes d'alimentation à haute tension voire ultra-haute tension, sont l'un des types d'équipements les plus importants et les plus coûteux [1,2,3], à l'exception des transformateurs électriques [4, 5], pour garantir le fonctionnement sûr de l'ensemble du système. Ces contributions sont attribuées à la forte propriété d'extinction d'arc et à la haute électronégativité du SF₆ gaz qui se comporte comme un milieu isolant dans de tels dispositifs [6]. Cependant, dans une longue période, SF₆ pourraient encore être décomposés en plusieurs sulfures à faible teneur en fluor par la puissance de décharge partielle causée par les inévitables défauts internes de l'équipement [7, 8]. De plus, ces sous-produits interagiront davantage avec les traces d'eau et d'oxygène environnantes, formant des produits chimiques stables tels que le SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ et au lieu de cela détériorer le comportement d'isolation de SF₆ [9]. Par conséquent, la détection de ces espèces en décomposition a été considérée comme un moyen efficace d'évaluer l'état de décomposition de SF₆ et pour refléter l'état de fonctionnement des dispositifs d'isolation associés [10].

Avec l'attention croissante portée aux dichalcogénures de métaux de transition (TMD), MoS₂ -des capteurs basés sur ont été proposés pour la détection de SF₆ espèces décomposées [11,12,13]. Ces rapports ont démontré la pertinence et la supériorité du MoS₂ dopé aux métaux de transition (TM) monocouche pour les composants de détection, y compris SO₂ et SOF₂ . En outre, une étude théorique sur la caractéristique de détection du MoTe₂ vierge monocouche sur SF₆ l'espèce décomposée prouve son aptitude à détecter le SO₂ [14]. De plus, les récents progrès dans le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) utilisés pour la synthèse à grande échelle de TMD accélèrent largement le développement de MoTe₂ monocouche pour les applications de détection de gaz [15,16,17]. Comme indiqué, MoTe₂ La monocouche possède une mobilité de porteur exceptionnelle, une grande longueur de liaison et une faible énergie de liaison, ce qui lui confère une sensibilité élevée lors des interactions gazeuses à température ambiante [18]. Ainsi, il est à espérer que MoTe₂ monocouche est un candidat assez prometteur pour la détection de gaz et son application pour la détection de SF₆ les espèces décomposées devraient être explorées plus avant.

Il est bien prouvé que les nanomatériaux 2D dopés TM possèdent des performances d'adsorption et un comportement de détection plus forts sur les molécules gazeuses par rapport aux surfaces vierges [19,20,21,22]. Ceci est dû à l'activité chimique et au comportement catalytique admirables de la TM dont d orbitale peut fortement s'hybrider avec ces molécules adsorbées, facilitant la chimisorption et augmentant le transfert de charge [23,24,25]. En ce qui concerne le MoTe₂ monocouche, à notre connaissance, il existe peu de rapports théoriques sur le comportement de dopage du TM sur sa monocouche ; pendant ce temps, les comportements d'adsorption et de détection associés du MoTe dopé TM₂ monocouche sur gaz sont également moins explorées. Parmi les éléments TM, le rhodium (Rh) avec de fortes performances catalytiques a été démontré comme un dopant TM souhaitable sur d'autres nano-surfaces pour l'adsorption de gaz [26, 27]. Surtout réf. [26] étudie le comportement de dopage Rh sur le MoSe₂ monocouche et ses performances améliorées pour l'adsorption des gaz toxiques. A cet égard, il serait intéressant d'utiliser la théorie des premiers principes pour étudier le comportement de dopage Rh sur le MoTe₂ moins exploré monocouche pour comparer leurs propriétés géométriques et mieux comprendre le dopage Rh sur les TMD. Au-delà, les performances d'adsorption et de détection du MoTe₂ dopé Rh (Rh-MoTe₂ ) monocouche sur trois SF₆ espèces décomposées, à savoir, SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ , ont également été simulés théoriquement pour explorer son application potentielle de détection dans certains domaines typiques. Les comportements électroniques et optiques du Rh-MoTe₂ monocouche sur adsorption de gaz fournit les mécanismes de détection de base pour son exploration en tant que capteur de gaz de type résistance ou optique pour réaliser la détection de SF₆ espèces décomposées. Le comportement de désorption vérifie le potentiel de Rh-MoTe₂ monocouche comme capteur de gaz pour éliminer ces gaz nocifs dans SF₆ dispositifs d'isolation, qui d'un autre aspect garantit le fonctionnement sûr du système d'alimentation. Ce travail serait significatif pour proposer un nouveau matériau de nano-détection et son application pour évaluer l'état de fonctionnement de SF₆ dispositifs d'isolation de manière simple et efficace.

Détails de calcul

Tous les résultats ont été obtenus dans le Dmol ³ package [28] basé sur la théorie des premiers principes. La méthode DFT-D proposée par Grimme a été adoptée [29] pour mieux comprendre la force de van der Waals et les interactions à longue distance. La fonction Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) avec approximation du gradient généralisé (GGA) a été utilisée pour traiter les termes d'échange d'électrons et de corrélation [30]. La double polarisation numérique plus (DNP) a été utilisée comme ensemble de base orbitale atomique [31]. Le Monkhorst-Pack k -un maillage de points de 7 × 7 × 1 a été défini pour les optimisations de la géométrie des supercellules, tandis qu'un k plus précis -point de 10 × 10 × 1 a été sélectionné pour les calculs de structure électronique [32]. La précision de la tolérance d'énergie, la force maximale et le déplacement ont été sélectionnés comme 10 ^− 5 Ha, 2 × 10 ^− 3 Ha/Å, et 5 × 10 ^− 3 [33], respectivement. Pour les calculs de structure électronique statique, énergie de boucle auto-cohérente de 10 ^− 6 Ha, le rayon de coupure orbital global de 5,0 Å pour garantir des résultats précis de l'énergie totale [34].

Un MoTe₂ monocouche avec supercellule de 4 × 4 et région de vide de 15 contenant 16 atomes de Mo et 32 ​​atomes de Te a été établie pour effectuer l'ensemble du calcul ci-dessous. Il a été prouvé qu'une supercellule 4 × 4 est suffisamment grande pour conduire le processus d'adsorption de gaz tandis qu'une dalle de 15 est appropriée pour empêcher l'interaction entre les unités adjacentes [35]. En dehors de cela, la méthode de Hirshfeld [36] a été utilisée tout au long de ce travail pour analyser la charge atomique du dopant Rh (Q _Rh ) et la charge moléculaire des molécules adsorbées (Q _T ). Par conséquent, une valeur positive de Q _Rh (Q _T ) représente que le dopant Rh (molécule de gaz) est un donneur d'électrons, tandis qu'un Q négatif _Rh ou Q _T indique le comportement d'acceptation d'électrons associé. Seules les configurations les plus favorables de Rh-MoTe₂ les systèmes de monocouche et d'adsorption sont tracés et analysés dans les parties suivantes.

Résultats et discussion

Analyse de Rh-MoTe₂ Monocouche

Sur Rh-MoTe₂ monocouche, quatre sites d'adsorption possibles sont considérés, tracés comme T_H (au-dessus du centre de l'anneau hexagonal de MoTe₂ ), T_Mo (au sommet de l'atome Mo), T_Te (au sommet de l'atome Te), et T_B (le site de pont entre deux atomes de Te), respectivement. L'énergie de liaison (E _b ) pour le dopage Rh sur le MoTe₂ monocouche est formulé comme :

où\( {E}_{\mathrm{Rh}\hbox{-} {\mathrm{MoTe}}_2} \),E _Rh , et\( {E}_{{\mathrm{MoTe}}_2} \)représentent les énergies du Rh-MoTe₂ monocouche, atomes de Rh et MoTe₂ vierge monocouche, respectivement.

Sur la base de cette définition, la configuration la plus stable (MSC) avec le E le plus bas _b en ligne avec la densité de déformation électronique (EDD) associée de Rh-MoTe₂ monocouche est représentée sur la figure 1. On peut voir que le dopant Rh est piégé sur le T_Mo site, formant trois liaisons covalentes avec les atomes de Te voisins sur la couche supérieure de MoTe₂ monocouche. Trois liaisons Rh-Te sont mesurées également à 2,54 Å, plus courtes que la somme des rayons covalents des atomes Rh et Te (2,61 [37]), indiquant la formation de liaisons chimiques pour le dopage Rh sur le MoTe_{2 couche. Le E calculé b de cette configuration est de − 2.69 eV, beaucoup plus grand que ceux de − 2.14 eV pour TH site, − 1,28 eV pour TTe site, et − 2,55 eV pour TB site. Il est à noter que les liaisons Rh-Te dans Rh-MoTe2 monocouche sont plus longues que celles des liaisons Rh-Se dans Rh-MoSe2 monocouche et le E b pour le dopage Rh est plus faible sur le MoTe2 surface en comparaison avec celle du MoSe2 homologue. Ceux-ci indiquent la force de liaison plus forte des liaisons Rh-Se que Rh-Te. Basé sur la méthode de Hirshfeld, le dopant Rh se comporte comme un accepteur d'électrons pendant le processus de dopage, qui reçoit 0,045 e du MoTe2 surface prouvant son comportement d'acceptation d'électrons dans le dopage de surface [26]. Ceci est conforme à l'EDD dans lequel l'atome de Rh est principalement entouré d'une accumulation d'électrons.}

Le MSC (a ) et EDD associé (b ) de Rh-MoTe₂ monocouche. Dans l'EDD, les zones vertes (roses) indiquent une accumulation d'électrons (épuisement). L'isosurface est de 0,005 e/Å ³

La structure de bande (BS) et la densité d'état (DOS) de Rh-MoTe₂ système sont représentés sur la figure 2 pour mieux comprendre le changement causé dans le comportement électronique de MoTe₂ surface par dopage Rh. Il est rapporté que le MoTe₂ vierge monocouche a une bande interdite directe de 1,10 eV [38]. Sur la figure 2a, la bande interdite de Rh-MoTe₂ monocouche est obtenu à 0,937 eV selon les calculs. Cela indique que le dopant Rh induit plusieurs états d'impuretés dans la bande interdite de MoTe₂ système, réduisant la bande interdite de l'ensemble du système en conséquence. Par ailleurs, le haut de la bande de valence est localisé sur le Г point et le bas de la bande de conduction est sur le K point, impliquant la propriété semi-conductrice indirecte pour Rh-MoTe₂ système. Sur la figure 2b, on voit que les états du dopant Rh contribuent largement au sommet de la bande de conduction du MoTe₂ vierge. monocouche et formant plusieurs nouveaux pics DOS autour du niveau de Fermi. Ces pics modifient apparemment le comportement électronique de l'ensemble du système, réduisant sa conductivité électrique en conséquence. Parce que le dopant Rh est piégé sur le T_Mo site formant des liaisons avec les atomes de Te, les DOS atomiques des atomes de Rh et de Te sont tracés pour comprendre le comportement d'hybridation électronique entre eux. Comme le montre la figure 2c, le Rh 4d orbitale est fortement hybride avec le Te 5p orbitale de − 5 à 2 eV, ce qui explique l'interaction de liaison significative qui conduit à la formation de liaisons chimiques de Rh-Te.

un BS de Rh-MoTe₂ monocouche; b Comparaison DOS entre MoTe vierge et dopé Rh₂ monocouche; et c DOS orbitale de liaison des atomes Rh et Te. Le niveau de Fermi est 0

Configurations d'adsorption de gaz de Rh-MoTe₂ Monocouche

Basé sur la structure détendue de Rh-MoTe₂ monocouche, l'adsorption de SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ molécules sur sa surface autour du centre Rh sont entièrement simulées. Avant cela, les structures géométriques des trois molécules de gaz doivent également être optimisées, comme le montre le fichier supplémentaire 1 :Figure S1. L'énergie d'adsorption (E _annonce ) est utilisé pour déterminer la configuration la plus stable de chaque système, formulée comme suit :

dans laquelle le \( {E}_{\mathrm{Rh}\hbox{-} {\mathrm{MoTe}}_2/\mathrm{gas}} \) et \( {E}_{\mathrm{Rh} \hbox{-} {\mathrm{MoTe}}_2} \) sont l'énergie totale de Rh-MoTe₂ monocouche avant et après adsorption, alors que E _gaz est l'énergie de la molécule de gaz isolée. Selon cette définition, le MSC avec le plus faible E _annonce pourrait être identifié.

Pour mieux comprendre le comportement de transfert de charge lors de l'adsorption de gaz, l'EDD est également calculé pour chaque configuration. Informations détaillées pour SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ l'adsorption peut être vue sur les Figs. 3, 4 et 5, respectivement. De plus, les paramètres d'adsorption, y compris E _annonce , transfert de charge (Q _T ) et la longueur de liaison (D ) sont répertoriés dans le tableau 1.

MSC (a ) et EDD (b ) de Rh-MoTe₂ /SO₂ système. Dans EDD, les zones vertes (roses) indiquent une accumulation d'électrons (épuisement), avec une isosurface de 0,005 e/Å ³

Identique à la Fig. 3 mais pour Rh-MoTe₂ /SOF₂ système

Identique à la Fig. 3 mais pour Rh-MoTe₂ /SO₂ F₂ système

Pour SO₂ adsorption sur le Rh-MoTe₂ monocouche, on peut trouver sur la figure 3 que le SO₂ molécule est fondamentalement parallèle au MoTe₂ couche avec un atome O et un atome S piégés par le dopant Rh. Comme indiqué dans le tableau 1, les liaisons Rh-O et Rh-S nouvellement formées sont mesurées respectivement à 2,16 et 2,36 Å, indiquant la forte force de liaison entre le dopant Rh et le SO₂ molécule. En outre, le E _annonce est obtenu comme − 1.65 eV impliquant la chimisorption pour le SO₂ système, et le Q _T est obtenu comme − 0.333 e impliquant le comportement électroattracteur de SO₂ . Après adsorption, le dopant Rh est chargé négativement de 0,017 e, ce qui signifie qu'il contribue pour 0,028 e au SO₂ adsorbé et l'autre partie de la charge (0,305) provient du MoTe₂ monocouche. Par rapport aux paramètres d'adsorption dans le MoTe₂ /SO₂ système (E _annonce =- 0,245 eV ; Q _T =- 0,086e; D =3,44 Å [14]), on peut en déduire que le dopage Rh améliore grandement le comportement réactif et la redistribution électronique pour le MoTe₂ monocouche sur SO₂ l'adsorption, ce qui rend l'adsorbant très souhaitable pour l'interaction gazeuse. De plus, les liaisons S-O dans le SO₂ molécule sont allongées séparément à 1,50 et 1,58 après adsorption, à partir de cet uniforme 1,48 en phase gazeuse ; les trois liaisons Rh-Te dans le Rh-MoTe₂ monocouche sont allongées à 2,58, 2,58 et 2,64 Â, respectivement. Ces déformations impliquent l'activation géométrique lors de l'adsorption à la fois pour le nano-adsorbant et l'adsorbat gazeux, ce qui confirme encore la forte chimisorption ici. A partir de la distribution EDD, on constate que le SO₂ la molécule est entourée d'une accumulation d'électrons, ce qui est en accord avec l'analyse de Hirshfeld ; et l'accumulation d'électrons entoure en grande partie les liaisons Rh-S et Rh-O, suggérant l'hybridation électronique dans la formation de nouvelles liaisons chimiques.

Dans le Rh-MoTe₂ /SOF₂ système présenté dans la Fig. 4, le SOF₂ molécule préférée s'approcher du dopant Rh par la position terminale O et le plan constitué de l'atome S et de deux atomes F sont presque parallèles au MoTe₂ couche. Cependant, il n'y a aucune preuve évidente suggérant la formation de nouvelles liaisons entre le dopant Rh et le SOF₂ molécule. La distance la plus proche de Rh-O est mesurée à 2,25 Å, un peu plus longue que celle du SO₂ système, et le SOF₂ molécule ne subit pas de grandes déformations géométriques après interaction. Ces résultats manifestent les performances d'adsorption relativement plus faibles du Rh-MoTe₂ monocouche sur SOF₂ en comparaison avec SO₂ . Comme présenté dans le tableau 1, le E _annonce est calculé comme − 0.46 eV supportant à nouveau la physisorption [39] et le Q _T est obtenu comme 0,040 e impliquant le comportement donneur d'électrons de SOF₂ . D'après l'EDD, on peut voir que l'accumulation d'électrons est principalement localisée sur la zone comprise entre les SOF₂ molécule et dopant Rh, ce qui implique une certaine hybridation entre eux, tandis que l'épuisement des électrons sur le SOF₂ molécule est en accord avec l'analyse de Hirshfeld.

En termes de SO₂ F₂ système d'adsorption, comme le montre la figure 5, on constate qu'après optimisation, le SO₂ F₂ molécule a tendance à être résolue pour être un atome F et un SO₂ groupe F. Les deux sont capturés par le dopant Rh formant une liaison Rh-F et une liaison Rh-S, respectivement, avec une longueur de liaison associée de 2,02 et 2,26 Â. Les liaisons nouvellement formées indiquent la forte force de liaison entre le dopant Rh et le SO₂ F₂ molécule, qui combiné avec le E calculé _annonce de 2,12 eV prouve la nature de la chimisorption pour la surface dopée au Rh sur SO₂ F₂ adsorption, similaire à celle du SO₂ système. A partir de l'EDD, l'accumulation d'électrons est significativement localisée sur le SO₂ F₂ molécule, en accord avec le résultat de Q _T (− 0,753 e) d'après l'analyse de Hirshfeld. Par contre, un grand nombre d'appauvrissement électronique est localisé sur le dopant Rh et un peu sur le MoTe₂ monocouche. En d'autres termes, le dopant Rh contribue largement au transfert de charge vers le SO₂ adsorbé F₂ molécule, manifestant sa grande mobilité électronique et sa forte réactivité chimique [40]. Dans le même temps, le chevauchement de l'accumulation et de l'épuisement des électrons sur les liaisons Rh-S et Rh-F suggère l'hybridation électronique dans leur formation.

Sur la base de l'analyse de la configuration et des paramètres d'adsorption, on peut conclure que le Rh-MoTe₂ monocouche possède les meilleures performances sur SO₂ F₂ molécule, suivi de SO₂ et le dernier vient à SOF₂ . En attendant, le dopant Rh peut largement affecter la distribution des électrons de ce système et donc altérer considérablement le comportement électronique du Rh-MoTe₂ monocouche.

Comportements électroniques de Rh-MoTe₂ Monocouche sur adsorption de gaz

La structure de bande (BS) et la densité d'état (DOS) de trois systèmes d'adsorption sont présentées sur la figure 6 pour comprendre le comportement électronique de Rh-MoTe₂ monocouche dans l'adsorption de gaz. Comme analysé ci-dessus, Rh-MoTe₂ monocouche a les meilleures performances sur SO₂ F₂ adsorption. Ainsi, à partir de la figure 6 (c2), on voit que le DOS moléculaire de SO₂ F₂ subit des déformations prononcées, qui sont intégralement décalées vers la gauche et certains des états se combinent à un grand au-dessous du niveau de Fermi. De la Fig. 6 (c3) où le DOS orbital est montré, on voit que le Rh 4d orbital est hautement hybride avec le F 2p orbital, et est quelque peu hybride avec S 3p orbital. De cet aspect, il est présumé que la liaison Rh-F est plus forte que celle de Rh-S. Dans le SO₂ système, le Rh 4d orbitale est hautement hybride avec l'O 2p orbital et suivi du S 3p orbitale sur la figure 6 (a3), et on pourrait également supposer que le dopant Rh a une force de liaison plus forte avec l'atome O qu'avec l'atome S. En raison d'une telle hybridation, le DOS moléculaire de SO₂ sur la figure 6 (a2) subit une déformation remarquable. Quant au SOF₂ système, on peut voir sur la figure 6 (b3) que le dopant Rh a peu d'hybridation orbitale avec l'atome O le plus proche, ce qui supporte l'interaction faible pour SOF₂ adsorption.

BS et DOS de divers systèmes. (a1)–(a3) SO₂ système; (b1)–(b3) SOF₂ système; et (c1)–(c3) SO₂ F₂ système. Sous DOS, la ligne pointillée est le niveau de Fermi

Parallèlement au changement de DOS orbital et moléculaire, l'état complet du système adsorbé par le gaz serait automatiquement modifié par rapport au Rh-MoTe₂ pur. système. A partir de la Fig. 6 (a1)–(c1) où les BS du système adsorbé sont représentés, on peut voir que la BS dans le SOF₂ le système ne subit pas de déformation significative par rapport à celui du Rh-MoTe₂ isolé système, tandis que ceux du SO₂ et SO₂ F₂ système sont différents, dans lesquels de nouveaux états sont émergés autour du niveau de Fermi, réduisant ainsi considérablement la bande interdite. En détail, la bande interdite du Rh-MoTe₂ est réduit à 0,863, 0,913 et 0,675 eV après adsorption de SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ , respectivement. Ceci fournit le mécanisme de détection de base pour Rh-MoTe₂ monocouche comme possible capteur de gaz de type résistance.

Analyse orbitale moléculaire frontière

Pour confirmer les résultats basés sur l'analyse BS, la théorie de l'orbitale moléculaire frontière est réalisée pour analyser la distribution et les énergies des orbitales moléculaires frontière (FMO) de Rh-MoTe₂ isolé et adsorbé dans le gaz. surface. Le FMO contient la molécule la plus élevée occupée (HOMO) et la plus basse orbitale moléculaire inoccupée (LUMO), et l'écart énergétique entre eux peut évaluer la conductivité électrique du système analysé [41]. Pour obtenir les résultats précis des énergies de FMO, le maculage dans cette partie des calculs est défini sur 10 ^− 4 UNE. Les distributions et énergies de FMO de Ru-MoTe₂ monocouche avant et après les adsorptions gazeuses sont décrites dans la Fig. 7.

Distributions et énergies de FMO en a Rh-MoTe₂ système, b SO₂ système, c SOF₂ système, et d SO₂ F₂ système

A partir de la figure 7a, on peut observer que le HOMO et le LUMO sont principalement localisés au niveau du dopant Rh, suggérant sa forte réactivité dans l'environnement. Les énergies de HOMO et LUMO sont respectivement obtenues comme − 4,885 et − 3,927 eV, avec la bande interdite calculée de 0,958 eV. Après adsorption de trois espèces de gaz, comme le montre la figure 7b–d, les distributions FMO de Rh-MoTe₂ surface sont affligés de différents degrés de déformations, où la réaction se produit entraînant la convergence du nuage d'électrons. Parallèlement à ces déformations, les énergies de FMO ont changé en conséquence. On constate que les énergies de FMO sont diminuées à des degrés différents après adsorption de trois gaz, dans lesquels celles de SOF₂ système connaissent les baisses les plus importantes. Cependant, l'écart énergétique dans SOF₂ le système subit le plus petit changement par rapport à celui du Rh-MoTe₂ pur système. Plus précisément, l'écart énergétique de Rh-MoTe₂ monocouche (0,958 eV) est diminuée de 0,044 eV après SOF₂ adsorption, tandis que est réduit de 0,061 et 0,281 eV après SO₂ et SO₂ F₂ adsorption, respectivement. Ces résultats indiquent que la conductivité électrique du Rh-MoTe₂ monocouche va diminuer après adsorption de trois gaz et la diminution est la plus importante dans le SO₂ F₂ système, qui sont en accord avec les conclusions de l'analyse BS. En outre, les écarts énergétiques de la théorie des orbitales moléculaires de la frontière sont fondamentalement proches de ceux des bandes interdites des résultats BS, ce qui implique la bonne précision de nos calculs.

Réponse de détection et propriété de récupération

Les changements dans la bande interdite de Rh-MoTe₂ monocouche après adsorption du gaz manifeste son changement de conductivité électrique dans l'atmosphère gazeuse associée [42], ce qui peut fournir le mécanisme de détection de base pour l'exploration de Rh-MoTe₂ monocouche en tant que capteur de gaz de type résistance. En outre, le plus grand changement de conductivité électrique expliquerait une sensibilité plus élevée pour la détection de gaz. Pour identifier la possibilité de Ru-MoTe₂ monocouche en tant que capteur, sa conductivité (σ) et sa sensibilité (S ) sur trois gaz types sont calculés à l'aide des formules suivantes [43, 44] :

Dans la formule 3, A est une constante, B _g est la bande interdite du système analysé, k est la constante de Boltzmann, et T est la température de travail. Dans la formule 4, σ _gaz et σ _pur signifient respectivement la conductivité du système d'adsorption analysé et le Rh-MoTe₂ isolé monocouche. D'après ces deux formules, on constate que le S d'une certaine surface pourrait être obtenue juste avec sa bande interdite avant et après l'adsorption de gaz. Après calcul, les sensibilités de Rh-MoTe₂ monocouche sur SO₂ , SOF₂ , et SO₂ F₂ détection à 298 K sont respectivement de 76,3, 37,3 et 99,4 %. Ces résultats suggèrent que le Rh-MoTe₂ monocouche possède le comportement de détection le plus admirable sur SO₂ F₂ , suivi du SO₂ et le dernier vient à SOF₂ . Cet ordre est conforme à ceux de l'analyse des paramètres d'adsorption et du comportement électronique. Sur la base de ces résultats, il est à espérer que Rh-MoTe₂ monocouche pourrait réaliser une détection sensible de SO₂ et SO₂ F₂ à température ambiante.

La propriété de récupération est également importante pour évaluer la réutilisabilité du capteur de gaz, et pour réduire le temps de récupération (τ) de la désorption du gaz de certaines surfaces, la technique de chauffage est généralement considérée puisque le temps de récupération est lié à la température (T ), formulé comme [45] \( \tau ={A}^{-1}{e}^{\left(-{E}_a/{K}_BT\right)} \). Dans cette formule, A est la fréquence de tentative se référant à 10 ¹² s ^− 1 [46], E _un est la barrière potentielle, déterminée comme équivalente à E _annonce dans ce travail, et K _B est la constante de Boltzmann (8,318 × 10 ^− 3 kJ/(mol·K)).

Basé sur la formule, le comportement de récupération de Rh-MoTe₂ monocouche à 298, 448 et 598 K est représentée sur la figure 8. On peut voir sur cette figure que la désorption de SO₂ F₂ et SO₂ à température ambiante sont extrêmement difficiles, tandis que pour SOF₂ le temps de récupération est assez court en raison de sa faible force de liaison avec la surface dopée au Rh. Grâce au chauffage, le temps de récupération du SO₂ F₂ ou SO₂ la désorption est fortement réduite, et lorsque la température augmente à 598 K, le temps de récupération en SO₂ système (79,48 s) devient favorable ce qui permet sa réutilisation en quelques minutes. Cela soutient le potentiel de Rh-MoTe₂ monocouche comme capteur de gaz réutilisable pour détecter le SO₂ . D'autre part, le long temps de récupération pour SO₂ F₂ désorption à 598 K (7,24 × 10 ⁵ ) reflète également la forte chimisorption ici. Bien que continuer à augmenter la température puisse réduire davantage le temps de récupération, la thermostabilité du matériau de détection et la consommation d'énergie élevée dans l'application de détection seraient un autre problème. Compte tenu de tout cela, Rh-MoTe₂ monocouche ne convient pas comme capteur pour SOF₂ détection. Cependant, cela nous fournit une autre réflexion pour proposer Rh-MoTe₂ monocouche comme adsorbant de gaz pour piéger ce gaz nocif dans le SF₆ dispositifs d'isolation, garantissant ainsi leur fonctionnement en toute sécurité. De plus, cette partie de l'analyse sous un autre aspect révèle l'inadéquation d'explorer Rh-MoTe₂ monocouche en tant que SO₂ F₂ capteur étant donné la faible interaction avec la surface.

Temps de récupération de Rh-MoTe₂ monocouche à différentes températures

Comportement optique de Rh-MoTe₂ Monocouche sur adsorption de gaz

Compte tenu de la propriété optique souhaitable de MoTe₂ monolayer, the calculation of the dielectric function of Rh-MoTe₂ monolayer upon gas adsorption is conducted, as displayed in Fig. 9, to illustrate its possibility as an optical gas sensor.

Dielectric function of Rh-MoTe₂ monolayer

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

Conclusions

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

Methods Section

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

Disponibilité des données et des matériaux

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

Abréviations

TMDs:

Dichalcogénures de métaux de transition

TM :

Transition metal

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

PBE :

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA :

Approximation de gradient généralisé

DNP:

Double numerical plus polarization

Q _Rh :

Atomic charge of Rh dopant

Q _T :

Molecular charge of adsorbed molecules

E _b :

Énergie de liaison

MSC :

Most stable configuration

EDD:

Electron deformation density

BS:

Band structure

DOS :

Density of state

E _annonce :

Adsorption energy

D :

Bond length

FMO:

Frontier molecular orbitals

HOMO :

Highest occupied molecular

LUMO :

Orbitale moléculaire inoccupée la plus basse