Capteurs WS₂ dopés Al et P : détection améliorée de NO, NO₂ et SO₂ par analyse par principes premiers

Résumé

Les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels (2D TMD), tels que le WS₂, sont considérés comme ayant un potentiel pour des capteurs de gaz à haute performance. Il est regrettable que l'interaction entre les gaz et le WS₂ 2D pur en tant qu'élément sensible soit trop faible pour que la réponse du capteur soit facile à détecter. Dans ce travail, les capacités de détection du WS₂ dopé Al et P vis-à-vis de NO, NO₂ et SO₂ ont été évaluées. Plus particulièrement, nous avons considéré la sélectivité vis-à-vis des gaz cibles et la concentration de dopant. Des modèles moléculaires des systèmes d'adsorption ont été construits, et la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) a été utilisée pour explorer les comportements d'adsorption de ces gaz du point de vue de l'énergie de liaison, de la structure de bande et de la densité d'états (DOS). Les résultats ont suggéré que les atomes dopants pouvaient augmenter la force d'adsorption entre les molécules de gaz et le substrat. De plus, la sensibilité du WS₂ dopé P au NO et NO₂ était à peine affectée par le CO₂ ou H₂O. La sensibilité du WS₂ dopé Al au NO₂ et SO₂ était également difficile à affecter par le CO₂ ou H₂O. Pour la détection du NO, le WS₂ avec une concentration de dopant de 7,4 % avait de meilleures propriétés sensibles que celui avec une concentration de 3,7 %. Alors que pour le SO₂, le résultat était exactement l'inverse. Ce travail a fourni une référence complète pour choisir des dopants (concentration) appropriés dans les matériaux 2D pour la détection de gaz nocifs.

Introduction

Les oxydes d'azote et le dioxyde de soufre sont largement utilisés dans la production industrielle. Par exemple, le monoxyde d'azote (NO) pourrait être utilisé comme source d'azote pour les processus de dopage dans l'industrie des semi-conducteurs, et le dioxyde de soufre (SO₂) pourrait être utilisé pour prévenir la détérioration du raisin [1]. Cependant, ces gaz ne sont pas seulement nocifs mais peuvent aussi causer de graves problèmes environnementaux, tels que la pluie acide ou le smog photochimique [2, 3]. Il est nécessaire de surveiller les fuites de ces gaz dans les applications industrielles. Parmi les recherches précédentes, les capteurs de gaz à oxydes métalliques ont été largement étudiés, mais ils présentent des inconvénients d'instabilité et de conditions de travail limitées [4]. Il est donc d'une importance considérable de trouver de nouveaux matériaux pour détecter ces gaz [5]. Pour détecter efficacement les molécules de gaz, les matériaux devraient avoir un grand rapport surface/volume et une force de liaison suffisante pour adsorber les molécules de gaz [6, 7]. La découverte du graphène et de ses propriétés de détection de gaz rares [8] a motivé les chercheurs à porter leur attention vers les matériaux 2D [9, 10].

Parmi les matériaux 2D, les disulfures de métaux de transition (TMD) ont attiré beaucoup d'attention dans le domaine de la détection de gaz en raison de leurs propriétés semi-conductrices stables et de leur mobilité de porteurs appropriée [11,12,13]. En particulier, en tant que type typique de TMD, le WS₂ possède diverses propriétés uniques pour les matériaux de détection [14, 15], telles qu'une excellente stabilité thermique, une structure de bande ajustable [16, 17] et un faible coût. Cependant, le WS₂ 2D pur en tant qu'élément sensible présente certains inconvénients, tels qu'une adsorption faible avec les gaz cibles, qui ne peut pas capturer efficacement les molécules de gaz [18]. Dans ce cas, le dopage est largement utilisé dans les matériaux 2D pour ajuster les propriétés de surface et la force de liaison entre les matériaux et les molécules de gaz et améliorer la capacité d'adsorption et de détection des gaz [19, 20]. Bien sûr, différents dopants ont des effets différents sur la performance de détection. Par conséquent, les substrats sensibles dopés doivent trouver des impuretés appropriées pour améliorer leur performance de détection. Par exemple, le WS₂ dopé Pd a déjà montré son amélioration par rapport à ses homologues purs dans la détection de gaz [6, 21]. Malheureusement, la plupart des études précédentes sur le WS₂ dopé en tant qu'élément sensible se sont uniquement concentrées sur la force de liaison et le transfert de charge entre les molécules de gaz et les monocouches. La sélectivité d'adsorption vis-à-vis des gaz et l'influence de la concentration de dopage sont souvent négligées. Dans ce travail, nous avons exploré de manière exhaustive non seulement la force de liaison et le transfert de charge, mais aussi la sélectivité d'adsorption vis-à-vis des gaz cibles et l'influence des concentrations de dopage.

Ici, considérant que les atomes Al et P ont un rayon covalent proche et une structure électronique similaire avec les atomes S, il est plus facile pour eux de remplacer les atomes S et de former une structure covalente stable. De nombreuses études précédentes ont étudié des matériaux avec dopage par substitution d'atomes S [22,23,24,25]. Par conséquent, ce travail a exploré la performance de détection du WS₂ dopé Al et P avec l'aide de la DFT. Les propriétés de détection des systèmes dopés ont été comparées à celle du WS₂ non dopé en termes d'énergie de liaison, de structure de bande et de densité d'états. Il a été prouvé que le WS₂ dopé avec des atomes Al ou P avait des avantages apparents sur le WS₂ pur pour détecter ces gaz. En plus de NO, NO₂ et SO₂, nous avons considéré CO₂ et H₂O comme gaz perturbateurs pour examiner la sélectivité d'un substrat dopé vis-à-vis des gaz cibles. Deux concentrations de dopage, 3,7 % et 7,4 %, ont été considérées pour estimer leur influence sur la sensibilité aux gaz. Ce travail fournit une vision complète pour sélectionner des dopants (concentration) appropriés dans les matériaux 2D pour la détection de gaz nocifs.

Méthodes

Dans ce travail, tous les calculs par principes premiers étaient basés sur la DFT [26, 27]. L'approximation de densité locale (LDA) avec la fonction PWC a été sélectionnée pour traiter l'échange et la corrélation électroniques. Pour alléger la charge de calcul, le noyau (pseudopotentiels semi-cœur DFT) a été remplacé par un potentiel efficace unique. La base orbitale numérique double et la fonction de polarisation orbitale (DNP) ont été choisies. Le rayon de coupure orbital global a été fixé à 4,9 Å pour assurer une précision suffisante. Les points k de Monkhorst-Pack ont été fixés à 4 × 4 × 1 après un test de convergence, avec une couche de vide de 13,4 Å pour éviter l'interaction entre les unités adjacentes. La précision de convergence d'énergie pour la géométrie était de 1,0 × 10⁻⁵ Hartree, tandis que le déplacement maximal était de 0,005 Å, et la force maximale de 0,002 Hartree/Å.

Une supercellule 3 × 3 × 1 contenant 9 atomes W et 18 atomes S a été établie, comme montré en Fig. 1a. Pour les modèles de WS₂ dopé, un atome S a été remplacé par un atome P ou Al [28], comme montré en Fig. 1b–d. Ensuite, une optimisation géométrique a été effectuée. Après cela, la molécule de gaz a été placée au-dessus du plan WS₂ pour construire le modèle d'adsorption de gaz. Trois sites pour la molécule de gaz adsorbée ont été choisis. Ils étaient le sommet des atomes S ou dopants (I), le sommet du point milieu de la liaison entre l'atome dopé et l'atome W ou S (II), et le centre de la structure hexagonale (III), comme montré en Fig. 1a–c. Après les optimisations géométriques pour chaque système d'adsorption, les constructions géométriques avec l'adsorption de gaz la plus stable ont été trouvées. L'énergie de liaison (E_bind) pouvait refléter l'interaction entre le matériau et la molécule de gaz adsorbée et être calculée par la fonction suivante :

$$ {E}_{bind}={E}_{tot}-{E}_m-{E}_{gas} $$ (1)

Le modèle de supercellule 4 × 4 × 1 de a WS₂ pur, b WS₂ dopé Al, et c WS₂ dopé P avec les trois sites d'adsorption marqués. Et les modèles de d NO, e NO₂, et f SO₂ molécules. Les boules jaune, bleu clair, rouge foncé, violet, bleu et rouge représentent S, W, Al, P, N et O, respectivement.

où E_m représente l'énergie du matériau sans adsorption de molécules de gaz, E_tot représente l'énergie totale du matériau et des molécules de gaz, et E_gas représente l'énergie de la molécule de gaz isolée [29]. Une valeur absolue plus considérable de E_bind représente une force d'interaction plus puissante entre le matériau et les molécules de gaz.

L'énergie de formation (E_fm), qui pouvait refléter la difficulté de former un système de dopage et la stabilité du système, a été calculée par la fonction ci-dessous :

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

où E_s est l'énergie totale de l'atome S substitué, et E_dopant représente l'énergie totale des atomes dopants. Une valeur plus significative de E_fm signifie plus difficile à former le système dopant.

Résultats et discussion

Les positions d'adsorption ont été montrées en Fig. 1a–c, correspondant respectivement au WS₂ pur, dopé Al et dopé P. En Fig. 1,d–f, les longueurs de liaison N–O, N=O et S=O étaient de 1,16 Å, 1,21 Å et 1,46 Å respectivement. La longueur de liaison W–S, Al–W et P–W était d'environ 2,43 Å, 2,86 Å et 2,45 Å respectivement. Après l'optimisation géométrique, le site énergétiquement favorable pour chaque adsorbat a été utilisé dans la discussion subséquente. Les énergies de liaison des systèmes WS₂ dopé P et Al à 3,7 % au site énergétiquement favorable étaient montrées dans le Tableau 1. L'énergie de liaison du système WS₂ pur était montrée dans le Tableau S1. Ensuite, selon les résultats d'énergie de liaison, l'interaction entre les molécules de gaz et le WS₂ pur était si faible qu'il était difficile pour le matériau substrat d'adsorber les molécules de gaz de manière stable. L'énergie de liaison du système NO-WS₂ pur était même positive. Cependant, l'introduction de dopant pouvait significativement augmenter la force d'adsorption entre le gaz et le WS₂, surtout pour le WS₂ dopé par atome Al. Parmi tous les cas de dopage, la force d'adsorption était la plus faible lorsque SO₂ était adsorbé sur P-WS₂. En outre, en dehors de Al et P, d'autres éléments dans la même période ou famille que S, tels que O, Si, Cl ou Se, ont également été considérés. Le cas de WS₂ dopé Fe et substitué W était montré en Fig. S1, tandis que les systèmes WS₂ avec ces dopants avaient soit une mauvaise stabilité (haut E_fm) soit une interaction faible avec les molécules de gaz. En considérant cela, ces dopants n'ont pas été impliqués dans les études subséquentes. Les sites énergétiquement favorables (énergie de liaison négative la plus basse) des molécules NO, NO₂ et SO₂ adsorbées sur le WS₂ dopé étaient montrés en Fig. S2, S3 et S4 respectivement.

Les structures de bande du WS₂ monocouche pur et dopé Al et P étaient présentées en Fig. 2. Les résultats de la densité d'états partielle (PDOS) étaient montrés en Fig. S5. Le WS₂ monocouche 2H est un semi-conducteur avec un gap de bande direct au point Γ. Pour le WS₂ dopé avec atome Al, l'impureté introduisait des états d'interface dans la région du gap de bande du WS₂ monocouche 2H. De plus, la présence d'atome métallique forme une barrière de Schottky avec le niveau de Fermi épinglé dans la région de surface du semi-conducteur. La position d'épinglage est à moins de 0,2 eV du niveau de Fermi du premier semi-conducteur [5]. Les propriétés métalliques sont apportées par les dopants métalliques [30]. En même temps, l'atome P introduisait des bandes d'énergie mélangées avec les bandes de conduction et de valence du WS₂. Les structures de bande du WS₂ dopé après adsorption de gaz étaient montrées en Fig. S6. Par conséquent, dans les cas de NO sur WS₂ dopé Al, NO sur WS₂ dopé P, et SO₂ sur WS₂ dopé Al, la largeur du gap de bande du matériau avait un changement évident après l'adsorption des molécules de gaz. Des études précédentes ont montré qu'un gap de bande rétréci signifie une stabilité cinétique plus faible, une activité chimique plus élevée et une transition électronique plus naturelle de la bande de valence vers la bande de conduction [31, 32]. Ainsi, après adsorption de gaz, les changements évidents de gap de bande des matériaux dopés les rendaient possibles comme substrats sensibles pour détecter l'existence de molécules de gaz.

Structure de bande de a WS₂ pur, b WS₂ dopé Al, et c WS₂ dopé P.

Basé sur le transfert de charge entre les molécules de gaz et les matériaux substrats, la détection de gaz peut être complétée par des capteurs de gaz. Selon la théorie traditionnelle du transfert de charge, le mécanisme du processus de transfert de charge entre le gaz et le WS₂ était montré en Fig. 3. LUMO est l'orbital moléculaire le plus bas non occupé, tandis que HOMO est l'orbital moléculaire le plus haut occupé. E_f est le niveau de Fermi du substrat. Si E_f se trouve entre LUMO et HOMO, il n'y aura pas de transfert de charge selon la théorie traditionnelle. Ensuite, Zhou et al. ont ajouté que le mécanisme de transfert de charge serait décidé par le mélange orbital de LUMO et HOMO avec le matériau substrat si E_f se trouve entre LUMO et HOMO, comme montré en Fig. 3a [5]. Si le LUMO est plus bas que le niveau de Fermi du WS₂, les électrons s'écouleront du WS₂ vers la molécule de gaz comme montré en Fig. 3b [7]. Après avoir atteint l'état d'équilibre, le E_f du système d'adsorption est le même que LUMO. Inversement, si le HOMO est plus haut que le niveau de Fermi du WS₂, les électrons s'écouleront des molécules de gaz vers le WS₂ comme montré en Fig. 3c [5]. Le E_f du système d'adsorption est le même que LUMO sous l'état d'équilibre. Les isosurfaces LUMO et HOMO des orbitaux moléculaires de NO, NO₂ et SO₂ étaient montrées en Fig. 4,a–c respectivement. L'énergie de LUMO et HOMO et E_f du WS₂ étaient présentées dans le Tableau S2. Selon le tableau, E_f se trouvait entre LUMO et HOMO dans les systèmes d'adsorption dopés Al et P. Donc, il est nécessaire d'explorer le mélange orbital entre le LUMO et HOMO des molécules de gaz et le matériau substrat.

Schéma du mécanisme de transfert de charge.

LUMO et HOMO de l'orbital moléculaire a NO, b NO₂, et c SO₂.

Le DOS a été employé pour discuter davantage la distribution électronique et le mélange orbital dans le système d'adsorption, qui dépendait de l'interaction entre les gaz et les substrats. La Figure 5 présente le DOS des gaz, dopants, atomes S et W. Les lignes noires et rouges étaient les courbes DOS des gaz et dopants respectivement. Et les lignes bleue et olive étaient celles des atomes S et W respectivement. Après adsorption de gaz, en raison de l'interaction orbitale, la redistribution électronique s'est produite dans tout le système, ce qui entraînerait des chevauchements de pics DOS entre le gaz et le matériau substrat. Les chevauchements de pics DOS signifiaient le mélange entre les orbitaux moléculaires, prouvant l'existence d'une interaction entre le gaz et les matériaux de détection [33]. Le mélange des orbitaux moléculaires était utile au transfert de charge, de sorte qu'il peut augmenter l'interaction d'adsorption entre le gaz et la surface du matériau [34,35,36]. Donc, le mélange entre les orbitaux moléculaires a été comparé pour évaluer les effets d'adsorption des molécules de gaz. En Fig. 5a, le mélange orbital entre la molécule NO et l'atome Al était à − 12,62 et − 8,11 eV. Et le mélange orbital entre la molécule NO et les atomes Al, S et W était à 2,02 eV. En Fig. 5b, le mélange orbital entre la molécule NO₂ et l'atome Al était à − 19,60, − 11,60 et − 8,44 eV. Et le mélange orbital entre la molécule NO₂ et les atomes Al, S et W était à 0 eV. En Fig. 5c, le mélange orbital entre la molécule SO₂ et l'atome Al était à − 12,09 eV. Le mélange orbital entre la molécule SO₂ et les atomes Al et S était à − 8,27 eV. Le mélange orbital entre la molécule SO₂ et les atomes Al, S et W était à 1,75 eV. En Fig. 5d, le mélange orbital entre la molécule NO et l'atome P était à − 12,21 eV. Et le mélange orbital entre la molécule NO et les atomes P, S et W était à − 10 eV. En Fig. 5e, le mélange orbital entre la molécule NO₂ et l'atome P était à − 12,63 eV. Et le mélange orbital entre la molécule NO₂ et les atomes P, S et W était à − 9,66 et − 5,51 eV. En Fig. 5f, le mélange orbital entre la molécule SO₂ et les atomes S était à − 9,25 eV. D'après les résultats ci-dessus, on peut constater que la présence d'impuretés entraîne plus de mélange orbital. De plus, le mélange orbital dans les systèmes avec atome Al dopé est plus important que dans les systèmes avec atome P dopé, indiquant une interaction plus forte entre les molécules de gaz et le substrat dans les systèmes dopés Al, ce qui concordait bien avec les résultats d'énergie de liaison. En résumé, l'introduction d'impuretés peut fournir plus de pics activés dans toute la bande, augmentant ainsi la possibilité de mélange orbital entre le substrat et les molécules de gaz.

DOS de a NO, Al, S et W atomes ; b NO₂, Al, S et W atomes ; c SO₂, Al, S et W atomes ; d NO, P, S et W atomes ; e NO₂, P, S et W atomes ; et f SO₂, P, S et W atomes.

Pour évaluer davantage le potentiel de détection du WS₂ dopé Al et P, CO₂ et H₂O ont également été considérés pour tester la sélectivité du WS₂ dopé Al et P vis-à-vis du gaz cible. Similaire à l'adsorption de NO, NO₂ ou SO₂, le site d'adsorption le plus stable parmi trois sites à haute symétrie géométrique sur WS₂ était montré en Fig. S7(a), (b), (c) et (d). Les résultats d'énergie de liaison étaient présentés dans le Tableau S3, et les résultats de structure de bande étaient montrés en Fig. S7(e), (f), (g) et (h). La longueur de liaison C=O dans CO₂ isolé et O–H dans H₂O isolé était de 1,175 Å et 0,971 Å respectivement. Elles ne changeaient pas beaucoup après adsorption du gaz sur le WS₂ dopé, sauf pour H₂O adsorbé sur Al-WS₂. Cela indiquait que l'interaction entre la molécule H₂O et le WS₂ dopé Al était la plus forte. Selon le Tableau 2, l'énergie de liaison calculée de H₂O sur Al-WS₂ était de − 1,69 eV.

Tous ces résultats pointaient vers une possibilité que le WS₂ dopé Al aurait une mauvaise sélectivité vis-à-vis du gaz cible en présence de H₂O. Pour confirmer ce point, l'analyse DOS a été réalisée, montrée en Fig. 6. Pour la Fig. 6b, dans le groupe H₂O sur Al-WS₂, les chevauchements de pics DOS entre le gaz et le matériau substrat près de E_f (0 eV) étaient beaucoup plus apparents que les trois autres. Cela prouvait une interaction forte et plus de possibilité de transfert de charge entre la molécule H₂O et Al-WS₂. De plus, plus de mélange orbital entre la molécule H₂O et l'atome Al pouvait être trouvé, ce qui fournissait plus de preuves pour l'interaction. De cela, nous pouvions conclure que le WS₂ dopé Al en tant que matériau de détection serait facilement affecté par H₂O. L'énergie de liaison était de − 0,18 et − 0,27 eV avec CO₂ et H₂O adsorbant sur le WS₂ dopé P respectivement. Ces résultats étaient inférieurs à l'énergie de liaison de NO (− 0,87 eV) et NO₂ (− 1,27 eV) mais très proches de l'énergie de liaison de SO₂ (− 0,29 eV) sur le WS₂ dopé P. En Fig. 6c, le mélange orbital entre la molécule CO₂ et l'atome P était à − 12,63 et − 9,66 eV. En Fig. 6d, le mélange orbital entre la molécule H₂O et les atomes S était à − 9,25 eV. Par conséquent, la sensibilité du WS₂ dopé P au SO₂ était facilement affectée en présence de CO₂ ou H₂O lorsque l'énergie de liaison et le mélange orbital étaient pris en considération simultanément.

DOS de a CO₂, Al, S et W atomes ; b H₂O, Al, S et W atomes ; c CO₂, P, S et W atomes ; et d H₂O, P, S et W atomes.

Le dopage monoatomique (concentration de dopage 3,7 %) a été discuté dans les parties ci-dessus. Considérant que différentes concentrations de dopage avaient un impact sur la performance de détection, le cas de dopage biatomique (concentration de dopage 7,4 %) a également été discuté dans le modèle WS₂ 3 × 3. Les atomes S étaient toujours remplacés par des atomes dopants. Il y avait quatre situations pour les emplacements de dopage montrées en Fig. S8. Pour le WS₂ dopé Al, ils étaient nommés 2Al-1, 2Al-2, 2Al-3 et 2Al-4 respectivement. Pour le WS₂ dopé P, ils étaient nommés 2P-1, 2P-2, 2P-3 et 2P-4 respectivement. Ensuite, l'énergie de formation de chaque système de dopage a été calculée pour évaluer la difficulté de former ces structures. Plus l'énergie de formation est basse, plus la formation de configuration est facile. Les résultats de l'énergie de formation étaient montrés dans le Tableau S4. La structure 2Al-1 a été choisie car elle a l'énergie de formation la plus basse parmi les quatre cas. De même, 2P-1 et 2P-3 ont tous deux été choisis car ils ont des énergies de formation adjacentes.

Selon les résultats de structure de bande (Fig. S6), le WS₂ dopé Al avait une excellente performance d'adsorption pour NO et SO₂ que NO₂ lorsque la concentration de dopage était de 3,7 %. Et le WS₂ dopé P avait une performance d'adsorption supérieure pour NO que NO₂ et SO₂. Par conséquent, pour le WS₂ dopé Al, seulement NO et SO₂ étaient considérés lorsque la concentration de dopage était de 7,4 %. Pour le WS₂ dopé P, seulement NO était considéré. Sur cette base, l'influence de la concentration de dopage sur la performance d'adsorption a été explorée. Les structures d'adsorption les plus stables étaient montrées en Fig. S9 et les résultats d'énergie de liaison étaient montrés dans le Tableau S5. Le DOS de ces systèmes était présenté en Fig. 7. En Fig. 7a, le mélange orbital entre la molécule NO et les atomes Al était à − 6,51, − 3,25 et − 0,75 eV respectivement. Le mélange orbital entre la molécule NO et les atomes S ainsi que W était à 1,78 eV. En Fig. 7b, le mélange orbital entre la molécule SO₂ et les atomes S était à − 19,69 eV. Le mélange orbital entre la molécule SO₂ et les atomes S ainsi que Al était à − 10,91 eV. En Fig. 7c, le mélange orbital entre la molécule NO et les atomes P était à − 7,67 eV. Le mélange orbital était à − 0,86 eV entre la molécule NO et les atomes P ainsi que W. Le mélange orbital était à − 2,39 eV entre la molécule NO et les atomes P, S ainsi que W. En Fig. 7d, le mélange orbital entre la molécule NO et les atomes W était à − 12,55 et − 0,76 eV respectivement. En comparant la Fig. 7a avec la Fig. 5a, on peut observer que le mélange orbital et l'énergie de liaison se sont renforcés, ce qui indiquait que la concentration de dopage Al 7,4 % induisait une meilleure performance d'adsorption de NO que 3,7 %. En comparant la Fig. 7b avec la Fig. 5c, le mélange orbital et l'énergie de liaison s'affaiblissaient, suggérant que la concentration de dopage Al 7,4 % causait une performance d'adsorption de SO₂ plus faible que 3,7 %. Et l'énergie de liaison négative du système 2P-1 était plus faible que celle de 2P-3, selon le Tableau S5. Donc, la performance d'adsorption du système 2P-3 était plus faible que celle de 2P-1, du point de vue de l'énergie de liaison et du mélange orbital, puis, en comparant la structure 2P-1 avec la Fig. 5d. En comparant la Fig. 7c avec la Fig. 5d, le mélange orbital et l'énergie de liaison étaient renforcés et cela indiquait que la concentration de dopage P 7,4 % pouvait apporter une meilleure performance d'adsorption de NO que 3,7 %. En résumé, on pouvait observer que l'influence de différentes concentrations de dopage sur la performance de détection du WS₂ dopé P était moindre que celle du WS₂ dopé Al.

DOS de a NO, 2Al-1, S et W atomes ; b SO₂, 2Al-1, S et W atomes ; c NO, 2P-1, S et W atomes ; et d NO, 2P-3, S et W atomes. e Énergies de liaison de tous les systèmes d'adsorption.

D'autre part, les énergies de liaison de tous les systèmes d'adsorption étaient montrées sous forme de graphique en colonnes en Fig. 7e. Selon la Fig. 7e, les deux concentrations de 3,7 % et 7,4 % de dopage pouvaient augmenter la force d'adsorption du système par rapport au système WS₂ pur. Pour les systèmes dopés avec deux atomes P, le dopage 7,4 % améliorait la force d'adsorption plus que le dopage 3,7 %, surtout pour l'adsorption de gaz NO. Pour les systèmes dopés avec deux atomes Al, la force d'adsorption pour le gaz NO augmentait. Alors que la force d'adsorption pour SO₂ ou NO₂ diminuait, et cela dans les cas avec SO₂ diminuait plus que les cas avec NO₂. Globalement, l'augmentation de la concentration de dopage avait une influence plus grande sur la force d'adsorption des systèmes dopés Al que des systèmes dopés P.

Conclusion

Dans ce travail, en utilisant les principes premiers, des calculs théoriques ont été effectués pour évaluer l'influence des dopants Al et P et de leur concentration de dopage sur la performance sensible du WS₂ vis-à-vis des molécules NO, NO₂ et SO₂. Le travail a également exploré la sélectivité vis-à-vis des gaz cibles en présence de gaz CO₂ et H₂O. Pour la structure de bande après adsorption de gaz, le changement de gap de bande et les niveaux bas près du niveau de Fermi signifiaient que le WS₂ dopé avait un grand potentiel pour être utilisé comme capteur de gaz de type résistance vis-à-vis de NO ou SO₂. Selon les résultats d'énergie de liaison, le WS₂ dopé Al et P avaient tous deux une énergie de liaison négative plus faible vis-à-vis des molécules de gaz que le WS₂ pur, indiquant l'amélioration de la force d'adsorption due à la présence d'impureté. Le DOS montrait que l'impureté pouvait générer plus de pics activés et stimuler significativement le mélange orbital entre le gaz et le substrat pour augmenter la sensibilité du matériau substrat. Par conséquent, il y avait plus de transfert de charge et une interaction de liaison plus forte entre les molécules de gaz et le matériau WS₂ dopé. De plus, la sensibilité du WS₂ dopé P au NO et NO₂ était presque impossible à être affectée par CO₂ et H₂O, tandis que celle au SO₂ serait changée en présence de CO₂ ou H₂O. La sensibilité du WS₂ dopé Al au NO était facilement affectée par H₂O mais difficile à être influencée par CO₂. Cependant, la sensibilité du WS₂ dopé Al au NO₂ et SO₂ était difficile à être affectée par CO₂ et H₂O. Pour la détection de NO, le WS₂ dopé Al et P avec une concentration de dopant de 7,4 % avait de meilleures propriétés sensibles que celui avec une concentration de 3,7 %. Alors que pour la détection de SO₂, le WS₂ dopé Al avec une concentration de dopant de 7,4 % avait une performance réactive plus affaiblie que celui avec une concentration de 3,7 %. L'influence de la concentration de dopage sur la performance de détection du WS₂ dopé P était plus petite que celle du WS₂ dopé Al. Par conséquent, nos calculs complets pourraient fournir aux matériaux bidimensionnels dopés une référence précieuse pour la détection de gaz nocifs.

Disponibilité des données et du matériel

Toutes les données sont pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

TMD :

Disulfures de métaux de transition

DFT :

Théorie de la fonctionnelle de la densité

LDA :

Approximation de densité locale

DNP :

Double numérique plus polarisation

DOS :

Densité d'états

PDOS :

Densité d'états partielle

LUMO :

Orbital moléculaire le plus bas non occupé

HOMO :

Orbital moléculaire le plus haut occupé