L'application potentielle des BA pour un capteur de gaz pour la détection de molécules de gaz SO2 :une étude DFT

Introduction

Le BAs (arséniure de bore hexagonal) est composé d'éléments des groupes III et V. Les groupes d'éléments III-V ont d'excellentes propriétés, telles que d'excellentes propriétés photoélectriques, des propriétés mécaniques et une large bande interdite [1]. Les applications potentielles prometteuses des matériaux 2D [2,3,4,5] ont été bien documentées dans des études récentes [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ,20] ; ces matériaux avaient été utilisés pour reconnaître diverses biomolécules [21, 22], polluants [23, 24] et molécules de gaz [25, 26] pour développer des dispositifs de détection appropriés. Nous avions trouvé de plus en plus les groupes de matériaux d'éléments III-V, par exemple, BN, AlN, GaN, GaAs et BP, et il a de plus en plus d'études pour les molécules de gaz par calcul théorique. Strak et al. [27] ont découvert que l'AlN(0001) était un puissant catalyseur pour la synthèse haute pression et haute température de l'ammoniac, et les travaux ont également confirmé la possibilité d'une synthèse efficace de l'ammoniac à la surface de l'AlN(0001). Diao et al. [28] ont présenté l'adsorption de H₂ Oh, CO₂ , CO, H₂ , et N₂ sur (10-10) surfaces de nanofils GaAs vierges et dopés au Zn ; l'effet de l'adsorption de CO₂ et N₂ sur les coefficients d'absorption était le plus important. Cheng et al. [29] ont montré l'adsorption de la plupart des molécules de gaz sur du BP pur et du BP dopé par la première étude de principe et ont conclu que le N-BP était plus approprié comme capteur de gaz pour le SO₂ , NON et NON₂ en raison de l'existence du processus de désorption. Kamaraj et Venkatesan [30] ont étudié la structure et les propriétés électroniques des BA par le DFT et le LDA; bien que des progrès considérables aient été réalisés dans la synthèse expérimentale et l'étude théorique des BA, les résultats des nanofeuillets de BA ont doté le système d'applications prometteuses en nanoélectronique et photovoltaïque.

Dans ce travail, nous avons d'abord étudié les propriétés de détection de gaz pour exploiter pleinement les possibilités des BA en tant que capteurs de gaz par des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Nous avons prédit les propriétés d'adsorption des gaz atmosphériques (par exemple, CO₂ , O₂ , N₂ , H₂ O, NON, NON₂ , NH₃ , CO et SO₂ ) sur les BA sur la base des calculs du premier principe. Notre travail a démontré le comportement d'adsorption apparent, les transferts de charge modérés et les caractéristiques de transmission uniques du SO₂ adsorption sur les BA. Les résultats suggèrent que les BA monocouches possédaient un grand potentiel pour le SO₂ application de détection.

Théorie et méthode de simulations

Le système a été modélisé comme une supercellule 4 × 4 de BA et de molécules de gaz atmosphériques adsorbées dessus. En DMol ³ [31] processus de calcul, les factions d'échange-corrélation ont été calculées dans un gradient général approximatif (GGA) avec le Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [32]. La zone de Brillouin a été échantillonnée à l'aide d'une grille à points k de 5 × 5 × 1 de Monkhorst-Pack et d'un frottis Methfessel-Paxton de 0,01 Ry. Toutes les structures atomiques ont été relâchées jusqu'à ce que l'énergie totale et la force de Hellmann-Feynman convergent vers 1,0 × 10 ⁻⁵ eV et 0,06  eV/Å [33].

Pour évaluer l'interaction entre les molécules de gaz et la surface de la feuille d'adsorption, nous avons calculé l'énergie d'adsorption (E _annonce ) des systèmes adsorbés, qui a été défini comme :

où E _{BAs + molécule de gaz} est l'énergie totale du système adsorbé par BAs, E _BA est l'énergie des BA, et E _{molécule de gaz} est l'énergie d'une molécule de gaz. Toutes les énergies ont été calculées pour des structures atomiques optimisées. Le transfert de charge a été étudié par l'analyse de population de Mulliken.

Résultat et discussion

Trois sites d'adsorption ont été considérés pour les BA dans ce travail, à savoir le sommet d'un atome de bore (B), le sommet d'un atome d'arsenic (As) et le centre d'un B-As hexagonal (centre), comme indiqué sur la Fig. 1a . Nous avons étudié la présence de l'atmosphère et trouvé le meilleur capteur de gaz.

un Vue schématique des sites supérieurs et du site central sur les BA. b Le DOS des BA

Tout d'abord, la structure géométrique de la monocouche de BAs vierge avait été optimisée et, comme le montre la figure 1b, la longueur de la liaison BAs était de 1,967 Å. Il y avait une bande interdite indirecte de 1,381  eV à présenter dans la structure de bande de la feuille de BAs, qui était plus petite que celle de la structure en vrac. Ces valeurs étaient en bon accord avec les valeurs rapportées précédemment (Fig. 2) [34, 35].

Les configurations d'adsorption les plus énergétiquement favorables des molécules de gaz :N₂ (un ), O₂ (b ), CO₂ (c ), H₂ O (d ), CO (e ), NON (f ), NON₂ (g ), NH₃ (h ), et SO₂ (je ) sur BAs monocouche

Pendant ce temps, nous avions analysé l'énergie d'adsorption, le transfert de charge et la distance entre les molécules et la surface des BA. Le résultat final était comme indiqué dans le tableau 1.

N ₂ adsorption : Adsorption de N₂ molécule de gaz sur BAs a été étudiée pour trois configurations de N₂ /BAs, à savoir. la face supérieure de l'atome B, la face supérieure de l'atome As et le centre d'un anneau hexagonal au-dessus de la surface BAs, et la distance la plus proche était de 3,764 Å, 3,549 Å et 3,65 Å et l'énergie d'adsorption correspondante était de − 0,24 eV, − 0,27 eV et − 0,24 eV, respectivement. Le centre avait la meilleure énergie d'adsorption et la structure la plus stable. L'énergie d'adsorption de N₂ BAs était de − 0,24 eV, le transfert de charge des BAs à N ² molécule de gaz était de 0,014e et la distance des N2-BA était de 3,65 Å. La figure 3a a montré qu'il y avait de nombreuses raies sous le niveau d'énergie de Fermi et que la densité d'états correspondante avait plusieurs pics sous le niveau d'énergie de Fermi. Comme le montre la figure, le N₂ molécule de gaz avait quatre pics, qui avaient une certaine influence sur les BA, principalement de - 5 à 0 eV, et avaient de grandes contributions au DOS. Globalement, l'effet de N₂ L'adsorption des molécules de gaz sur les BA était faible.

Densité d'états (DOS) de N₂ /BAs (a ), O₂ /BAs (b ), CO₂ /BAs (c ), H₂ O/BA (d ), CO/BA (e ), NON/BA (f ), NON₂ /BAs (g ), NH₃ /BAs (h ) et SO₂ /BAs (i )

O ₂ adsorption : O₂ molécule de gaz avait tendance à s'adsorber sur le point central. L'énergie d'adsorption de O₂ /BAs était de − 0.35 eV, et la distance du O₂ -BAs était de 2,90 . La structure de bande totale et le DOS pour O₂ Les /BA ont été tracés sur la figure 3. Il était évident qu'une ligne supplémentaire traversait le point zéro et réduisait la bande interdite ; O₂ molécule de gaz avait un pic à − 1 à 0 eV et avait un effet sur la densité d'états au-dessus du niveau de Fermi. L'analyse de la population pour le transfert de charge Mulliken a montré que − 0.172e a été transféré de la surface BAs à l'O₂ molécule de gaz, suggérant que O₂ molécule de gaz a agi comme un accepteur. En général, le O₂ l'adsorption des molécules de gaz sur les BA était meilleure que N₂ .

CO ₂ adsorption : CO₂ molécule de gaz avait tendance à s'adsorber au sommet de l'atome d'As. L'énergie d'adsorption du CO ² /BAs était de − 0,28 eV, le transfert de charge des BAs au CO ² molécule de gaz était de − 0,018e, et la distance du CO ² -BAs était de 3,55 . Comme le montre la figure 3, par rapport aux BAs vierges, la structure n'avait aucun changement apparent, et il y avait des crêtes d'onde évidentes de l'énergie de − 9 eV dans le DOS, qui avaient de grandes contributions au DOS. Ce point a également mis en évidence l'adsorption du CO₂ molécule de gaz par les BA. Les résultats ont montré que l'effet d'adsorption et la sensibilité des BA au CO₂ molécule de gaz étaient générales.

H ₂ O adsorption : H₂ La molécule de gaz O avait tendance à s'adsorber au sommet de l'atome d'As. L'énergie d'adsorption de H ² O/BAs était de − 0,38 eV, le transfert de charge des BAs vers H ² La molécule de gaz O était de − 0,03e, et la distance du H ² O-BAs était de 3,63 Å. Comme le montre la figure 3, il n'y a pas eu de grands changements dans la structure par rapport aux BAs vierges. Le niveau de Fermi d'Al-G a évidemment augmenté et s'est déplacé vers la bande de valence. En général, le H₂ L'adsorption des molécules de gaz O sur les BA a été ignorée.

Adsorption de CO : La molécule de gaz CO avait tendance à s'adsorber au sommet de l'atome d'As. L'énergie d'adsorption des CO/BA était de − 0,27 eV, le transfert de charge des BA à la molécule de gaz CO était de − 0,024e et la distance des CO-BA était de 3,50 Å. La densité totale d'états (DOS) et la structure de bande pour BAs-CO ont été tracées sur la figure 3. La molécule de gaz CO et l'atome d'As ont joué un rôle énorme dans l'effet d'un pic de 3 à 4  eV sur le DOS. Cependant, il n'y avait pas d'écart de DOS dans la plage de − 7 à 4 eV, ce qui suggère que le CO était adsorbé chaque semaine sur les BA. Il y avait une crête d'onde évidente de l'énergie de − 3 à 1 eV et 3 eV, qui a eu de grandes contributions au DOS. L'analyse de population pour le transfert de charge de Mulliken a montré que la charge de − 0,024e était transférée de la surface des BA à la molécule de gaz CO, et elle a suggéré que la molécule de gaz CO agissait comme un accepteur. Dans l'ensemble, l'effet de l'adsorption des molécules de CO gazeux sur les BA n'était pas spécial.

PAS d'adsorption : AUCUNE molécule de gaz n'avait tendance à s'adsorber au sommet de l'atome B. L'énergie d'adsorption des NO/BAs était de - 0,18 eV, le transfert de charge était de - 0,01e de la molécule de gaz NO aux BAs, et la distance des NO-BAs était de 2,86 Å. Il y avait beaucoup de lignes sur le niveau d'énergie de Fermi. Il a constaté que la bande interdite dans la bande médiane réduisait la valeur de la bande interdite. D'après le diagramme de densité des états, il y avait un pic d'onde supplémentaire au-dessus du niveau d'énergie de Fermi, mais il y avait peu de changement sous le niveau d'énergie de Fermi, relativement stable sur la Fig. 3. Le mélange des orbitales a provoqué un petit transfert de charge et une redistribution sur l'interaction Région. L'analyse de population pour le transfert de charge de Mulliken a montré que la charge de 0,01e était transférée de la surface des BA à la molécule de NO, suggérant que NO agissait comme un donneur. Il n'y avait pas de déviation du DOS dans la plage de − 7 à 4 eV, ce qui suggère que le NO était adsorbé chaque semaine sur les BA.

NON ₂ adsorption : NON₂ molécule de gaz avait tendance à s'adsorber au sommet de l'atome d'As. L'énergie d'adsorption du NO₂ /BAs était de − 0.43 eV, et la distance du NO₂ -BAs était de 2,47 Å. L'intéressant était que le point zéro dans la bande traversait une ligne droite directement après l'adsorption de NO₂ molécule de gaz, ce qui signifie que le BAs, qui est un semi-conducteur, a été transformé en attribut d'or; la bande interdite était de 0 eV. Il n'y a pas eu de grand changement dans l'ensemble, et un pic a été généré à environ − 3 eV en raison de NO₂ adsorption moléculaire du gaz. Il y avait une crête d'onde évidente de l'énergie de − 7 eV et 2 eV, qui a eu de grandes contributions au DOS. En général, l'adsorption de NO₂ par BAs était meilleure que celle de plusieurs molécules ci-dessus.

NH ₃ adsorption : NH₃ molécule de gaz avait tendance à s'adsorber au sommet de l'atome d'As. L'énergie d'adsorption de NH ³ / BA était de -0,34 eV, le transfert de charge de NH ³ molécule de gaz à BA était de 0,007e, et la distance du NH ³ -BA était de 3,27 . Il n'y avait pas de changement clair dans la bande d'énergie et la densité d'états, sauf qu'il y avait un pic évident d'adsorption de NH₃ molécule de gaz en dessous du niveau de Fermi. Le NH₃ la molécule de gaz a eu un petit impact sur les BA à - 8 à - 4 eV, formant un pic de 15 eV. L'effet d'adsorption et la sensibilité de ses BA au NH₃ molécule de gaz étaient générales.

Alors ₂ adsorption : SO₂ molécule de gaz avait tendance à adsorber sur le point central, l'énergie d'adsorption du SO₂ /BAs était de − 0.92 eV, et l'analyse de population pour le transfert de charge Mulliken a montré que − 0.179e la charge était transférée de la surface des BAs au SO₂ molécule de gaz, suggérant que SO₂ molécule de gaz agit comme un accepteur. La distance du SO₂ /BAs était de 2,46 Å. Comparé à d'autres molécules de gaz, le SO₂ /BAs avait la plus grande énergie d'adsorption, le deuxième plus grand transfert d'électrons et la distance la plus courte du SO₂ -BAs. Comme le montre la figure 3, la bande de valence des BA avait une augmentation évidente et la bande interdite a diminué, et en raison du SO₂ adsorbé molécule de gaz, on pouvait voir à partir de la densité d'états qu'il y avait un autre pic d'onde à - 7,5 eV et un certain transfert au niveau de Fermi. L'adsorption de SO₂ par BAs a eu l'excellent effet.

La figure 4i montre le diagramme de densité électronique de SO₂ /BAs et le chevauchement local d'électrons entre BAs et SO₂ molécule de gaz. Sur cette base, nous avons tiré la conclusion que l'adsorption de SO₂ par les BA était l'adsorption physique. Le calcul de WF illustré à la figure 5 était d'une grande importance pour explorer la possibilité de réguler les propriétés électroniques et optiques (telles que les spectres d'absorption et les fonctions de perte d'énergie) en adsorbant de petites molécules. La fonction de travail a été définie en physique des solides comme l'énergie minimale requise pour déplacer un électron de l'intérieur d'un solide à la surface de l'objet. Le travail de sortie des BAs vierges était de 4,84  eV. NON et NH₃ les molécules de gaz étaient des donneurs dans le transfert de charge, et leur fonction de travail a diminué; la fonction de travail était de 4,80 eV et 4,68  eV, respectivement. La fonction de travail de N₂ /BAs, CO₂ /BAs, et CO/BAs était le même que celui des BAs. La fonction de travail de O₂ /BAs, NON₂ /BAs, et SO₂ /BAs était plus élevé que les BAs. Combiné avec l'énergie d'adsorption ci-dessus, la distance des molécules de gaz et la surface des BA, le transfert de charge et la fonction de travail, nous avons trouvé que SO₂ la molécule de gaz était la plus appropriée pour les matériaux BAs.

Densité électronique pour un N₂ vierge /BAs (a ), O₂ /BAs (b ), CO₂ /BAs (c ), H₂ O/BA (d ), CO/BA (e ), NO/BAs (f ), NON₂ /BAs (g ), NH₃ /BAs (h ), et SO₂ /BAs (i )

Fonction de travail des BA N₂ /BAs, O₂ /BAs, CO₂ /BAs, H₂ O/BAs, CO/BAs, NO/BAs, NO₂ /BAs, NH₃ /BAs, et SO₂ /BAs

Conclusion

Nous avons présenté les propriétés structurales et électroniques des BAs avec des adsorbants N₂ , O₂ , CO₂ , H₂ O, CO, NON, NON₂ , NH₃ , et SO₂ molécule de gaz, en utilisant la méthode de la théorie fonctionnelle de la densité. Dans l'énergie d'adsorption, SO₂> NON₂> H₂ O > O₂> NH₃> CO₂> CO > N₂> NO et SO₂ < NON₂ < NO2 < NH₃ < CO < CO₂ < H₂ O < N₂ dans la distance d'adsorption. NON₂ a le plus grand Q et fonction de travail, il pourrait peut-être être détecté par le matériau proposé en raison d'une bonne réponse électrique. SO₂ la molécule de gaz avait la meilleure énergie d'adsorption, la distance la plus courte pour la molécule de gaz et la surface des BA, et une certaine quantité de transfert de charge. Combiné avec l'énergie d'adsorption ci-dessus, la distance de la molécule de gaz et de la surface des BA, le transfert de charge et la fonction de travail, le courant et le changement de courant induit par l'adsorption des BA présentent de fortes caractéristiques anisotropes. Une telle sensibilité et sélectivité à SO₂ L'adsorption des molécules de gaz fait des BA un candidat souhaitable en tant que capteur de gaz supérieur.

Abréviations

BA :

Arséniure de bore hexagonal

DOS :

Densité d'états

WF :

Fonction de travail