A aplicação potencial de BAs para um sensor de gás para detecção de molécula de gás SO2:um estudo DFT

Resumo

Diferentes moléculas de gás atmosférico (por exemplo, N ₂ , O ₂ , CO ₂ , H ₂ O, CO, NÃO, NÃO ₂ , NH ₃ e SO ₂ ) são absorvidos no arsenieto de boro hexagonal (BAs) puro por meio de cálculos da teoria do funcional da densidade. Para cada molécula de gás, várias posições de adsorção foram consideradas. A adsorção mais estável dependia da posição, energia de adsorção, transferência de carga e função de trabalho. SO ₂ as moléculas de gás tinham a melhor energia de adsorção, a distância mais curta para a superfície de BAs na molécula do gás atmosférico e uma certa quantidade de transferência de carga. O cálculo da função trabalho foi importante para explorar as possibilidades de ajuste das propriedades eletrônicas e ópticas. Nossos resultados apresentaram materiais BAs podem ser o sensor de gás potencial de SO ₂ com alta sensibilidade e seletividade.

Introdução

BAs (arsenieto hexagonal de boro) é composto de elementos dos grupos III e V. Os grupos de elementos III-V têm excelentes propriedades, como excelentes propriedades fotoelétricas, propriedades mecânicas e grande gap de banda [1]. As aplicações potenciais promissoras de materiais 2D [2,3,4,5] foram bem documentadas em estudos recentes [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 , 20]; esses materiais foram usados para reconhecer várias biomoléculas [21, 22], poluentes [23, 24] e moléculas de gás [25, 26] para desenvolver dispositivos de detecção adequados. Havíamos encontrado cada vez mais os grupos de materiais do elemento III-V, por exemplo, BN, AlN, GaN, GaAs e BP, e há cada vez mais estudos para as moléculas de gás por cálculo teórico. Strak et al. [27] descobriram que o AlN (0001) era um poderoso catalisador para a síntese de amônia em alta pressão e alta temperatura, e o trabalho também confirmou a possibilidade da síntese eficiente de amônia na superfície do AlN (0001). Diao et al. [28] apresentou adsorção de H ₂ O, CO ₂ , CO, H ₂ , e N ₂ em (10–10) superfícies de nanofios de GaAs dopados com Zn e prístinos; o efeito da adsorção de CO ₂ e N ₂ sobre os coeficientes de absorção foi o maior. Cheng et al. [29] mostraram a adsorção da maioria das moléculas de gás em BP puro e BP dopado por estudo de primeiro princípio e concluíram que N-BP era mais adequado como um sensor de gás para SO ₂ , NÃO e NÃO ₂ devido à existência do processo de dessorção. Kamaraj e Venkatesan [30] estudaram a estrutura e as propriedades eletrônicas dos BAs pelo DFT e LDA; embora consideráveis avanços tenham sido feitos na síntese experimental e no estudo teórico de BAs, os resultados das nanofolhas BAs dotaram o sistema de aplicações promissoras em nanoeletrônica e fotovoltaica.

Neste trabalho, primeiro investigamos as propriedades de detecção de gás para explorar totalmente as possibilidades de BAs como sensores de gás por cálculos da teoria funcional da densidade (DFT). Previmos as propriedades de adsorção dos gases atmosféricos (por exemplo, CO ₂ , O ₂ , N ₂ , H ₂ O, NÃO, NÃO ₂ , NH ₃ , CO e SO ₂ ) em BAs com base em cálculos do primeiro princípio. Nosso trabalho demonstrou o comportamento de adsorção aparente, transferências de carga moderadas e características únicas de transmissão de SO ₂ adsorção em BAs. Os resultados sugeriram que BAs de monocamada possuíam grande potencial para SO ₂ aplicação de detecção.

Teoria e método de simulações

O sistema foi modelado como uma supercélula 4 × 4 de BAs e moléculas de gás atmosférico adsorvidas nele. Em DMol ³ [31] processo de cálculo, as facções de correlação de troca foram calculadas dentro de um gradiente geral aproximado (GGA) com o Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [32]. A zona de Brillouin foi amostrada usando uma grade de ponto k de Monkhorst-Pack 5 × 5 × 1 e esfregaço Methfessel-Paxton de 0,01 Ry. Todas as estruturas atômicas foram relaxadas até que a energia total e a força Hellmann-Feynman convergissem para 1,0 × 10 ⁻⁵ eV e 0,06 eV / Å [33].

Para avaliar a interação entre as moléculas de gás e a superfície da folha de adsorção, calculamos a energia de adsorção ( E _anúncio ) de sistemas adsorvidos, que foi definido como:
$$ {E} _ {\ mathrm {ad}} ={E} _ {\ mathrm {BAs} + \ mathrm {gás} \ mathrm {molécula}} - \ left ({E} _ {\ mathrm {BAs} } + {E} _ {\ mathrm {gás} \ \ mathrm {molécula}} \ right) $$
onde E _{BAs + molécula de gás} é a energia total do sistema adsorvido por BAs, E _BAs é a energia dos BAs e E _{molécula de gás} é a energia de uma molécula de gás. Todas as energias foram calculadas para estruturas atômicas otimizadas. A transferência de carga foi investigada pela análise da população de Mulliken.

Resultado e discussão

Três sítios de adsorção foram considerados para BAs neste trabalho, a saber, topo de um átomo de boro (B), o topo de um átomo de arsênio (As) e o centro de um B-As hexagonal (centro), como indicado na Fig. 1a . Estudamos a presença da atmosfera e encontramos o melhor sensor de gás.

a Vista esquemática dos principais sites e do site central em BAs. b O DOS dos BAs

Em primeiro lugar, a estrutura geométrica da monocamada de BAs primitiva foi otimizada e, como mostrado na Fig. 1b, o comprimento da ligação de BAs foi de 1,967 Å. Havia um gap indireto de 1,381 eV para exibir na estrutura de bandas da folha BAs, que era menor do que a estrutura bulk. Esses valores estavam em boa concordância com os valores relatados anteriormente (Fig. 2) [34, 35].

As configurações de adsorção mais energeticamente favoráveis das moléculas de gás:N ₂ ( a ), O ₂ ( b ), CO ₂ ( c ), H ₂ O ( d ), CO ( e ), NÃO ( f ), NÃO ₂ ( g ), NH ₃ ( h ), e SO ₂ ( eu ) em BAs monocamada

Enquanto isso, analisamos a energia de adsorção, a transferência de carga e a distância entre as moléculas e a superfície dos BAs. O resultado final foi mostrado na Tabela 1.

N ₂ adsorção: Adsorção de N ₂ molécula de gás em BAs foi estudada para três configurações de N ₂ / BAs, viz. lado superior do átomo B, lado superior do átomo As e o centro de um anel hexagonal acima da superfície BAs, e a distância mais próxima foi 3,764 Å, 3,549 Å e 3,65 Å e a energia de adsorção correspondente foi - 0,24 eV, - 0,27 eV e - 0,24 eV, respectivamente. O centro tinha a melhor energia de adsorção e a estrutura mais estável. A energia de adsorção de N ₂ BAs era - 0,24 eV, a transferência de carga de BAs para N ² a molécula de gás era 0,014e, e a distância dos N2-BAs era 3,65 Å. A Fig. 3a mostrou que havia muitas linhas sob o nível de energia de Fermi, e a densidade de estados correspondente tinha vários picos sob o nível de energia de Fermi. Conforme mostrado na figura, o N ₂ A molécula do gás teve quatro picos, que tiveram certa influência nos BAs, principalmente de -5 a 0 eV, e tiveram grande contribuição para o DOS. No geral, o efeito de N ₂ a adsorção de moléculas de gás em BAs era pobre.

Densidade de estados (DOS) de N ₂ / BAs ( a ), O ₂ / BAs ( b ), CO ₂ / BAs ( c ), H ₂ O / BAs ( d ), CO / BAs ( e ), NÃO / BAs ( f ), NÃO ₂ / BAs ( g ), NH ₃ / BAs ( h ) e SO ₂ / BAs ( i )

O ₂ adsorção: O ₂ molécula de gás tendeu a adsorver no ponto central. A energia de adsorção de O ₂ / BAs era - 0,35 eV, e a distância do O ₂ -BAs era 2,90 Å. A estrutura total da banda e DOS para O ₂ / BAs foram plotados na Fig. 3. Era óbvio que uma linha extra cruzou o ponto zero e reduziu o gap; O ₂ molécula de gás teve um pico em - 1 a 0 eV e teve um efeito na densidade de estados acima do nível de Fermi. A análise da população para a transferência de carga Mulliken mostrou que - 0,172e foi transferido da superfície BAs para o O ₂ molécula de gás, sugerindo que O ₂ molécula de gás atuou como um aceitador. Em geral, o O ₂ a adsorção de moléculas de gás em BAs foi melhor do que N ₂ .

CO ₂ adsorção: CO ₂ molécula de gás tendeu a adsorver no topo do átomo de As. A energia de adsorção de CO ² / BAs era - 0,28 eV, a transferência de carga de BAs para CO ² molécula de gás era - 0,018e, e a distância do CO ² -BAs era 3,55 Å. Conforme mostrado na Fig. 3, em comparação com BAs primitivos, a estrutura não teve nenhuma mudança aparente e havia algumas cristas de onda óbvias de energia de -9 eV no DOS, que tiveram grandes contribuições para o DOS. Este ponto também destacou a adsorção de CO ₂ molécula de gás por BAs. Os resultados mostraram que o efeito de adsorção e a sensibilidade dos BAs ao CO ₂ molécula de gás eram gerais.

H ₂ O adsorção: H ₂ A molécula do gás O tendeu a se adsorver no topo do átomo de As. A energia de adsorção de H ² O / BAs era - 0,38 eV, a transferência de carga de BAs para H ² A molécula do gás O era - 0,03e, e a distância do H ² O-BAs era 3,63 Å. Conforme mostrado na Fig. 3, não houve grandes mudanças na estrutura em comparação com BAs primitivos. O nível de Fermi de Al-G aumentou obviamente e mudou para a banda de valência. Em geral, o H ₂ A adsorção da molécula de gás O em BAs foi ignorada.

Adsorção de CO: A molécula do gás CO tendeu a se adsorver no topo do átomo de As. A energia de adsorção dos CO / BAs foi - 0,27 eV, a transferência de carga dos BAs para a molécula do gás CO foi - 0,024e, e a distância dos CO-BAs foi 3,50 Å. A densidade total de estados (DOS) e a estrutura da banda para BAs-CO foram representadas na Fig. 3. A molécula de gás CO e o átomo de As desempenharam um papel importante no efeito de um pico de 3 a 4 eV no DOS. No entanto, não houve desvio no DOS na faixa de -7 a 4 eV, o que sugeriu que o CO foi adsorvido semanalmente nos BAs. Havia alguma crista de onda óbvia com energia de - 3 a 1 eV e 3 eV, que teve grandes contribuições para o DOS. A análise da população para a transferência de carga Mulliken mostrou que a carga -0,024e foi transferida da superfície BAs para a molécula do gás CO, e sugeriu que a molécula do gás CO agiu como um aceitador. No geral, o efeito da adsorção da molécula de gás CO em BAs não foi especial.

SEM adsorção: Nenhuma molécula de gás tendeu a adsorver no topo do átomo B. A energia de adsorção de NO / BAs foi de - 0,18 eV, a transferência de carga foi de - 0,01e da molécula de gás NO para BAs, e a distância dos NO-BAs foi de 2,86 Å. Havia muitas linhas no nível de energia de Fermi. Ele descobriu que o gap de energia na banda do meio reduziu o valor do gap. A partir do diagrama de densidade de estados, houve um pico de onda extra acima do nível de energia de Fermi, mas houve pouca mudança sob o nível de energia de Fermi, relativamente estável na Fig. 3. A mistura de orbitais causou uma pequena transferência de carga e redistribuição sobre o nível de energia de Fermi. região. A análise da população para a transferência de carga de Mulliken mostrou que a carga 0,01e foi transferida da superfície BAs para a molécula de NO, sugerindo que o NO atuou como um doador. Não houve desvio no DOS na faixa de -7 a 4 eV, o que sugeriu que o NO foi adsorvido semanalmente nos BAs.

NÃO ₂ adsorção: NÃO ₂ molécula de gás tendeu a adsorver no topo do átomo de As. A energia de adsorção de NO ₂ / BAs era - 0,43 eV, e a distância do NO ₂ -BAs era 2,47 Å. O interessante foi que o ponto zero na banda cruzou uma linha reta diretamente após a adsorção de NO ₂ molécula de gás, o que significa que o BAs, que é um semicondutor, foi transformado no atributo ouro; o gap de banda foi de 0 eV. Não houve grande mudança no todo, e um pico foi gerado em cerca de - 3 eV devido a NÃO ₂ adsorção molecular de gás. Havia alguma crista de onda óbvia com energia de -7 eV e 2 eV, que teve grandes contribuições para o DOS. Em geral, a adsorção de NO ₂ por BAs era melhor do que o de várias moléculas acima.

NH ₃ adsorção: NH ₃ molécula de gás tendeu a adsorver no topo do átomo de As. A energia de adsorção de NH ³ / BA era -0,34 eV, a transferência de carga de NH ³ molécula de gás para BA foi 0,007e, e a distância do NH ³ -BA era de 3,27 Å. Não houve nenhuma mudança clara na banda de energia e na densidade dos estados, exceto que houve um pico óbvio de adsorção de NH ₃ molécula de gás abaixo do nível de Fermi. O NH ₃ molécula de gás teve um pequeno impacto sobre BAs em -8 a -4 eV, formando um pico de 15 eV. O efeito de adsorção e a sensibilidade de seus BAs ao NH ₃ molécula de gás eram gerais.

ASSIM ₂ adsorção: SO ₂ molécula de gás tendeu a adsorver no ponto central, a energia de adsorção de SO ₂ / BAs foi - 0,92 eV, e a análise da população para transferência de carga Mulliken mostrou que - 0,179e carga foi transferida da superfície BAs para o SO ₂ molécula de gás, sugerindo que SO ₂ molécula de gás atua como um aceitador. A distância do SO ₂ / BAs era 2,46 Å. Comparado a outras moléculas de gás, o SO ₂ / BAs tinham a maior energia de adsorção, a segunda maior transferência de elétrons e a distância mais curta do SO ₂ -BAs. Conforme mostrado na Fig. 3, a banda de valência de BAs teve um aumento óbvio e o gap diminuiu, e devido ao SO ₂ adsorvido molécula de gás, podia-se ver pela densidade de estados que havia mais um pico de onda em - 7,5 eV e certa transferência no nível de Fermi. A adsorção de SO ₂ por BAs teve o efeito excelente.

A Fig. 4i mostrou o diagrama de densidade eletrônica de SO ₂ / BAs e a sobreposição local de elétrons entre BAs e SO ₂ molécula de gás. Com base nisso, concluímos que a adsorção de SO ₂ por BAs foi a adsorção física. O cálculo de WF mostrado na Fig. 5 foi de grande significância para explorar a possibilidade de regular as propriedades eletrônicas e ópticas (como espectros de absorção e funções de perda de energia) por adsorção de pequenas moléculas. A função de trabalho foi definida na física dos sólidos como a energia mínima necessária para mover um elétron do interior de um sólido para a superfície do objeto. A função de trabalho dos BAs originais foi 4,84 eV. NO e NH ₃ as moléculas de gás eram doadoras responsáveis pela transferência de carga e sua função de trabalho diminuía; a função de trabalho foi 4,80 eV e 4,68 eV, respectivamente. A função de trabalho de N ₂ / BAs, CO ₂ / BAs e CO / BAs era igual ao de BAs. A função de trabalho de O ₂ / BAs, NÃO ₂ / BAs e SO ₂ / BAs foi maior do que BAs. Combinado com a energia de adsorção acima, distância das moléculas de gás e superfície BAs, transferência de carga e função de trabalho, descobrimos que SO ₂ molécula de gás foi mais adequada para materiais BAs.

Densidade de elétrons para N ₂ puro / BAs ( a ), O ₂ / BAs ( b ), CO ₂ / BAs ( c ), H ₂ O / BAs ( d ), CO / BAs ( e ), NÃO / BAs ( f ), NÃO ₂ / BAs ( g ), NH ₃ / BAs ( h ), e SO ₂ / BAs ( i )

Função de trabalho de BAs N ₂ / BAs, O ₂ / BAs, CO ₂ / BAs, H ₂ O / BAs, CO / BAs, NO / BAs, NO ₂ / BAs, NH ₃ / BAs e SO ₂ / BAs

Conclusão

Apresentamos as propriedades estruturais e eletrônicas de BAs com adsorventes N ₂ , O ₂ , CO ₂ , H ₂ O, CO, NÃO, NÃO ₂ , NH ₃ e SO ₂ molécula de gás, usando o método da teoria funcional da densidade. Na energia de adsorção, SO ₂> NÃO ₂> H ₂ O> O ₂> NH ₃> CO ₂> CO> N ₂> NÃO e SO ₂ 2 2 3 2 2 O 2 na distância de adsorção. NÃO ₂ tem o maior Q e função de trabalho, talvez possa ser detectada pelo material proposto devido à boa resposta elétrica. SO ₂ molécula de gás tinha a melhor energia de adsorção, a distância mais curta para a molécula de gás e a superfície de BAs e uma certa quantidade de transferência de carga. Combinado com a energia de adsorção acima, distância da molécula de gás e superfície BAs, transferência de carga e função de trabalho, a corrente e a mudança de corrente induzida por adsorção de BAs exibem fortes características anisotrópicas. Tal sensibilidade e seletividade para SO ₂ a adsorção de moléculas de gás torna os BAs um candidato desejável como um sensor de gás superior.

Abreviações

BAs:: Arseneto de boro hexagonal
DOS:: Densidade de estados
WF:: Função no trabalho

Nanofabricação de estruturas periódicas de alta resolução com um tamanho de lacuna abaixo de 100 nm por polimerização de dois fótons Eletrodos transparentes flexíveis baseados em nanomashes de ouro

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias