【摘 要】
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硫化亚锡是一种典型的IV–VI族单卤化物,具有类黑磷的超薄二维结构,同时由于其具有良好的化学稳定性,近年来,硫化亚锡在气体传感领域的应用开始引起学者的关注。对于具有表面控制型气敏机理的半导体敏感材料,表面空位缺陷显著影响气体的吸附特性,进而对材料的气敏性能造成明显影响。本论文对硫化亚锡的气敏特性开展了基础性研究,基于密度泛函第一性原理计算方法,运用Materials Studio软件,研究了空位缺
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硫化亚锡是一种典型的IV–VI族单卤化物,具有类黑磷的超薄二维结构,同时由于其具有良好的化学稳定性,近年来,硫化亚锡在气体传感领域的应用开始引起学者的关注。对于具有表面控制型气敏机理的半导体敏感材料,表面空位缺陷显著影响气体的吸附特性,进而对材料的气敏性能造成明显影响。本论文对硫化亚锡的气敏特性开展了基础性研究,基于密度泛函第一性原理计算方法,运用Materials Studio软件,研究了空位缺陷(表面S空位和Sn空位)对硫化亚锡气体吸附的影响以及对气敏选择性的调制作用。通过研究单空位硫化亚锡模型和本征硫化亚锡模型的态密度曲线,得到了Sn空位的引入和S空位的引入分别对应p型和n型导电性的结论。结合能分析表明在同等条件下Sn S晶格中Sn空位较S空位更易形成。构建了甲醛、甲烷、一氧化碳、硫化氢、氨气、二氧化氮六种气体在本征硫化亚锡和单空位缺陷硫化亚锡上的多种吸附构型。基于吸附能、表面-分子平衡距离、电荷转移量三方面结果,得出了对应各气体的最佳吸附构型。吸附构型的态密度和电荷密度差分图表明,单S空位硫化亚锡[Sn S+VS]表面具有不均匀的正负电荷积累,从而更利于氨气气体的吸附。单Sn空位硫化亚锡[Sn S+VSn]表现出对二氧化氮气体的吸附增强,在吸附体系态密度曲线中出现费米能级上的增强峰。同时Sn空位的出现产生的二氧化氮增强吸附导致了较大的吸附能造成气体实际脱附困难,并且由于单Sn空位表面存在正电荷积累,一定程度上抑制了作为电荷受体的二氧化氮从吸附表面获取电荷的过程,因此具有Sn空位缺陷的硫化亚锡更适合作为二氧化氮的脱除剂。构建了基于周期性的连续双S空位硫化亚锡模型,并与氨气建立吸附体系。研究发现具有多S空位表面没有表现出对氨气吸附的增强,气体吸附强度的弱化程度与空位分布有关。该吸附体系的电荷密度差分显示双S空位的存在令表面的不均匀电荷积累产生分散,导致气体吸附效果减弱。该结果反向印证了单S空位表面氨气吸附增强的理论机理。上述结果表明在Sn S层状晶格中创造高分散的孤立存在的空位缺陷是提升二维Sn S气敏灵敏度和气体选择性的一种有效手段。
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