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环保、工业制造以及医疗健康等领域对高性能气体传感器的需求日益迫切。自从石墨烯被首次通过机械剥离的方法制备以来，二维材料因其大的表面体积比、丰富的表面活性位点而被认为是理想的气敏材料。但是本征二维材料的一些固有缺点如石墨烯的半金属特性、MoS2较多的点缺陷和低载流子迁移率、黑磷的环境不稳定性以及h-BN的宽禁带特性等使得其不能作为理想的气敏材料用于气体检测。本文从微观机理探索了新型二维材料碲烯的气敏传感性能，并通过实验制备获得了一种低成本、高性能的碲烯NO2气体传感器。本文的研究结果主要总结如下：
首先，我们通过第一性原理计算的方法研究了二维碲烯对SF6分解物的气敏机理。碲烯和气体分子之间最近的原子距离以及吸附体系的电子局域函数（ELF）表明二维碲烯和气体分子之间存在着物理相互作用。吸附能和电荷转移的计算表明碲烯对SO2F2、HF和H2S分子展示出了较弱的吸附强度，而对SO2和SOF2分子表现出了良好的吸附能（-0.382eV和-0.352eV）和较明显的电荷转移（-0.158e和-0.093e）。同时，态密度（DOS）和差分电荷密度（CDD）揭示了碲烯吸附SO2和SOF2分子之后整个体系的电学性质发生了显著变化。这些现象表明了二维碲烯在检测高压绝缘设备中SF6的绝缘性和稳定性方面具有重要的应用潜力。
然后，我们通过第一性原理计算的方法从微观机理方面研究了二维碲烯在大气环境中检测NO2气体的可行性。Bader电荷转移和CDD表明NO2/tellurene体系中电子从碲烯向NO2分子转移，当NO2吸附在二维碲烯上，碲烯的空穴密度将会显著增加。此外，碲烯在吸附NO2之后其能带结构出现分裂：自旋向上和自旋向下的禁带宽度都明显地变窄。同时，ELF表明二维碲烯和NO2分子之间没有出现电子轨道重叠的现象因而为物理吸附作用。这些研究结果为新一代NO2气体传感器的制备提供了机理性解释。
最后，我们通过液相剥离方法制备了纳米级厚度的碲烯薄片并利用AFM、TEM、HRTEM、拉曼分析等方法进行了表征，通过空气喷涂的方式将碲烯转移到叉指电极上形成敏感薄膜。气敏测试结果表明碲烯传感器在150ppb NO2浓度下具有高达264.3％的显著响应，对NO2检测具有0.214ppb的超低理论检测限。此外，碲烯传感器能够在ppb级的NO2浓度下实现快速响应和完全恢复。同时，碲烯传感器在温度高达100℃时具有出色的稳定性。这些优异的性能表明了碲烯传感器能在复杂的大气环境下对NO2气体实现快速、高效的检测。
首先，我们通过第一性原理计算的方法研究了二维碲烯对SF6分解物的气敏机理。碲烯和气体分子之间最近的原子距离以及吸附体系的电子局域函数（ELF）表明二维碲烯和气体分子之间存在着物理相互作用。吸附能和电荷转移的计算表明碲烯对SO2F2、HF和H2S分子展示出了较弱的吸附强度，而对SO2和SOF2分子表现出了良好的吸附能（-0.382eV和-0.352eV）和较明显的电荷转移（-0.158e和-0.093e）。同时，态密度（DOS）和差分电荷密度（CDD）揭示了碲烯吸附SO2和SOF2分子之后整个体系的电学性质发生了显著变化。这些现象表明了二维碲烯在检测高压绝缘设备中SF6的绝缘性和稳定性方面具有重要的应用潜力。
然后，我们通过第一性原理计算的方法从微观机理方面研究了二维碲烯在大气环境中检测NO2气体的可行性。Bader电荷转移和CDD表明NO2/tellurene体系中电子从碲烯向NO2分子转移，当NO2吸附在二维碲烯上，碲烯的空穴密度将会显著增加。此外，碲烯在吸附NO2之后其能带结构出现分裂：自旋向上和自旋向下的禁带宽度都明显地变窄。同时，ELF表明二维碲烯和NO2分子之间没有出现电子轨道重叠的现象因而为物理吸附作用。这些研究结果为新一代NO2气体传感器的制备提供了机理性解释。
最后，我们通过液相剥离方法制备了纳米级厚度的碲烯薄片并利用AFM、TEM、HRTEM、拉曼分析等方法进行了表征，通过空气喷涂的方式将碲烯转移到叉指电极上形成敏感薄膜。气敏测试结果表明碲烯传感器在150ppb NO2浓度下具有高达264.3％的显著响应，对NO2检测具有0.214ppb的超低理论检测限。此外，碲烯传感器能够在ppb级的NO2浓度下实现快速响应和完全恢复。同时，碲烯传感器在温度高达100℃时具有出色的稳定性。这些优异的性能表明了碲烯传感器能在复杂的大气环境下对NO2气体实现快速、高效的检测。