石墨烯是一种新型二维材料,全部由碳原子构成,该材料的二维平面拥有很多气体吸附的活性位点,在MEMS气体传感器领域有着广阔的应用前景。同时,由于当前制备工艺的限制,实际制备出的石墨烯不可避免地存在各种缺陷,这些缺陷对石墨烯的吸附和传感性能会产生一定程度的影响。灵敏度和选择性是决定气体传感器性能的关键指标,对气体传感器的研究应重点围绕这两个参数进行。本文以本征石墨烯和缺陷石墨烯对CO和CO₂的吸附过程为研究对象,运用第一性原理分析方法,研究石墨烯的吸附特性和灵敏度,对比其对不同气体的选择性,为石墨烯气体传感器的性能改进和应用提供建议和参考。本论文的主要研究内容如下:1.建立本征石墨烯吸附CO和CO₂分子的模型,通过Materials Studio软件的CASTEP模块计算不同吸附位置的吸附特性。结果表明,本征石墨烯吸附CO的最佳吸附位置为CO分子平行于石墨烯的H位,吸附能为-5.879 eV,吸附能与吸附位置关系不大,与吸附取向关系较为明显,平行取向的吸附能普遍大于垂直取向;本征石墨烯吸附CO₂的最佳吸附位置为T位,吸附能为-0.109 eV。计算本征石墨烯吸附CO和CO₂的灵敏度,吸附CO的灵敏度为1.55%,吸附CO₂的灵敏度为0.77%。说明本征石墨烯对CO和CO₂检测的选择性不高,检测结果误差较大。2.建立Stone-Wales缺陷和多空位缺陷石墨烯的模型,计算其能量和能带结构,通过与本征石墨烯的对比,发现Stone-Wales缺陷的形成能为5.501 eV,多空位缺陷的形成能为7.508 eV,对比形成能可以看出,多空位缺陷相比Stone-Wales缺陷更难形成。Stone-Wales缺陷石墨烯的带隙为0.0876 eV,引入两条新的能级,多空位缺陷石墨烯的带隙为0.0061 eV,引入三条新的能级,说明缺陷的引入打开石墨烯的带隙,引入新的缺陷能级,使其导电性能有所下降。3.建立Stone-Wales缺陷和多空位缺陷石墨烯吸附CO的模型,计算其吸附特性和灵敏度等参数。计算结果表明,CO分子平行于Stone-Wales缺陷的位置为最佳吸附位,吸附能为-5.952 eV,检测CO的灵敏度为35.25%,与目前的石墨烯气体传感器相比,灵敏度有了很大提升;CO分子平行于多空位缺陷石墨烯的位置为最佳吸附位,吸附能为-6.282 eV,检测CO的灵敏度为4.14%,可达到目前同类传感器平均水平。说明缺陷的引入可以提升石墨烯对CO的检测灵敏度,其中Stone-Wales缺陷的提升效果更为明显。石墨烯的制备过程中,可以通过拉曼光谱和制备条件来选择合适的反应条件,制备含有S-W缺陷的石墨烯进行CO的检测。4.建立Stone-Wales缺陷和多空位缺陷石墨烯吸附CO₂的模型,计算其吸附性能和灵敏度等参数。计算结果表明,Stone-Wales缺陷石墨烯吸附CO₂的吸附能为-0.175eV,灵敏度为28.40%,与当前石墨烯气体传感器相比有了明显提升;多空位缺陷石墨烯吸附CO₂的吸附能为-1.850 eV,灵敏度为7.94%,与同类型传感器相比也有一定程度的提升。说明缺陷的引入可以提升石墨烯对CO₂的检测灵敏度,其中Stone-Wales缺陷的提升效果更为明显。对比缺陷引入对CO和CO₂检测灵敏度的影响,发现缺陷的引入在提升灵敏度的同时会提升其对这两种气体的选择性,因此可控、有选择性地引入缺陷可以提升石墨烯对CO的检测精度。