第一性原理研究气体分子吸附Stanene和SnS2气敏特性

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2004年,英国曼彻斯特大学物理学家成功从石墨中分离出石墨烯以来,二维石墨烯和类石墨烯纳米材料关注度增加,且由于其优异的物理性能使得更多的类石墨烯二维纳米材料被国内外研究学者广泛关注研究。继而被应用于太阳能电池和发光二极管等相关的物理化学光电领域。本论文主要采用基于密度泛函理论(density functional theory DFT)的Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)程序包通过第一性原理计算方法来研究空气中常见的小气体分子(CO、H2O、NH3、NO、NO2)吸附二维纳米材料锡烯(Stanene)、二硫化锡(Sn S2)单层及多层的气敏性质,并利用外界因素如施加电场及双轴应变来调节对材料气体敏感响应性质的影响,其研究结果主要通过以下方面进行简述:(1)对于小气体分子吸附Stanene单层的气敏性质探究,计算结果表明,H2O、NH3和CO分子物理吸附于锡烯单层上,而NO和NO2分子吸附在Stanene上有相当大的电荷转移和较大的吸附能,Sn原子和O原子形成较为稳固的共价键(Sn-O),因此属于化学吸附。此外,小分子吸附锡烯单层的带隙在加入自旋轨道耦合(SOC)计算后可以得到有效的调节。特别地是,研究结果还表明,当外界因素双轴应变和电场应用施加后,小分子和吸附体系之间的吸附能量和电荷转移在层间发生明显的变化,这表明在Stanene单层上,外部因素在气敏材料探测方面可优先选择。这些结果意味着以Sn为基底的二维纳米材料可作为优良的气体传感器。(2)对于小气体分子吸附于S空穴Sn S2单层的气敏性质的探究,利用第一原理模拟,研究了小气体分子(CO、H2O、NH3、NO、NO2)吸附在S空位Sn S2单层上的电子结构。结果显示H2O和CO分子在S空位Sn S2单层上存在物理相互作用,而NH3、NO、NO2分子则通过强共价键在S空位Sn S2单层上进行化学修饰。同时H2O和NH3作为电荷施主向基底提供电荷,而CO、NO和NO2气体分子作为受体,接受基底提供的电荷。从而导致小气体分子与基底之间的相互作用。这些数据提供了一种可行的方法来开发化学气体传感器和电子设备。数值计算也表明应用双轴应变,对气体分子于基底的吸附能和电荷转移提供了更为有力高效的调控方法.(3)对于小气体分子NO2吸附于纯净的单层及双层Sn S2纳米材料气敏特性的研究,数值结果表明NO2在单层和双层Sn S2上属于物理吸附,且属于电荷受主,分别接受基底转移的电荷,外加电场和双轴应变同样能增加电荷转移,提高吸附能力。而且施加电场产生巨斯塔克效应,促使NO2吸附的Sn S2体系由半导体向金属转变。且随着偏压的增大,单层和双层Sn S2在NO2吸附后电流增加明显。这些计算研究结果为气敏检测器件的制备和相关的实验研究提供了一定的理论参考。
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