De potentiële toepassing van BA's voor een gassensor voor het detecteren van SO2-gasmolecuul:een DFT-onderzoek

Resultaat en discussie

In dit werk werden drie adsorptieplaatsen voor BA's overwogen, namelijk de bovenkant van een booratoom (B), de bovenkant van een arseenatoom (As) en het midden van een hexagonaal B-As (midden), zoals aangegeven in Fig. 1a . We hebben de aanwezigheid van de atmosfeer bestudeerd en de beste gassensor gevonden.

een Schematische weergave van topsites en centrumsite op BA's. b De DOS van de BA's

Allereerst was de geometrische structuur van de ongerepte BA's-monolaag geoptimaliseerd en zoals weergegeven in figuur 1b, was de BA's-bindingslengte 1,967 A. Er was een indirecte bandgap van 1,381 eV te zien in de bandstructuur van BAs-plaat, die kleiner was dan die van de bulkstructuur. Deze waarden kwamen goed overeen met de eerder gerapporteerde waarden (Fig. 2) [34, 35].

De energetisch meest gunstige adsorptieconfiguraties van de gasmoleculen:N₂ (een ), O₂ (b ), CO₂ (c ), H₂ O (d ), CO (e ), NEE (f ), GEEN₂ (g ), NH₃ (u ), en SO₂ (ik ) op monolaag BA's

Ondertussen hadden we de adsorptie-energie, de ladingsoverdracht en de afstand tussen de moleculen en het BA-oppervlak geanalyseerd. Het uiteindelijke resultaat was zoals weergegeven in tabel 1.

N ₂ adsorptie: Adsorptie van N₂ gasmolecuul op BA's werd bestudeerd voor drie configuraties van N₂ /BA's, nl. bovenzijde van het B-atoom, bovenzijde van As-atoom, en het midden van een hexagonale ring boven het BAs-oppervlak, en de dichtstbijzijnde afstand was 3.764 Å, 3.549 Å en 3.65 Å en de corresponderende adsorptie-energie was − 0.24 eV, − 0.27 eV en − 0.24 eV, respectievelijk. Het centrum had de beste adsorptie-energie en de meest stabiele structuur. De adsorptie-energie van N₂ BA's was − 0,24 eV, de kostenoverdracht van BA's naar N ² gasmolecuul was 0,014e en de afstand van de N2-BA's was 3,65 . Fig. 3a liet zien dat er veel lijnen onder het Fermi-energieniveau waren, en de overeenkomstige dichtheid van toestanden had verschillende pieken onder het Fermi-energieniveau. Zoals weergegeven in de afbeelding, is de N₂ gasmolecuul had vier pieken, die een zekere invloed hadden op BA's, voornamelijk van − 5 tot 0 eV, en een grote bijdrage leverden aan de DOS. Over het algemeen is het effect van N₂ adsorptie van gasmoleculen op BA's was slecht.

Dichtheid van toestanden (DOS) van N₂ /BA's (a ), O₂ /BA's (b ), CO₂ /BA's (c ), H₂ O/BA's (d ), CO/BA's (e ), NO/BA's (f ), GEEN₂ /BA's (g ), NH₃ /BA's (u ) en SO₂ /BA's (i )

O ₂ adsorptie: O₂ gasmolecuul had de neiging om op het centrale punt te adsorberen. De adsorptie-energie van O₂ /BAs was − 0,35 eV, en de afstand van de O₂ -BA's was 2.90 Å. De totale bandstructuur en DOS voor O₂ /BA's werden uitgezet in Fig. 3. Het was duidelijk dat een extra lijn het nulpunt kruiste en de band gap verkleinde; O₂ gasmolecuul had een piek bij − 1 tot 0 eV en had een effect op de dichtheid van toestanden boven het Fermi-niveau. De populatieanalyse voor Mulliken-ladingsoverdracht toonde aan dat − 0.172e werd overgebracht van het BAs-oppervlak naar de O₂ gasmolecuul, wat suggereert dat O₂ gasmolecuul fungeerde als acceptor. Over het algemeen is de O₂ adsorptie van gasmoleculen op BA's was beter dan N₂ .

CO ₂ adsorptie: CO₂ gasmolecuul had de neiging te adsorberen aan de bovenkant van het As-atoom. De adsorptie-energie van CO ² /BAs was − 0,28 eV, de ladingsoverdracht van BAs naar CO ² gasmolecuul was − 0,018e, en de afstand van de CO ² -BA's was 3,55 Å. Zoals getoond in Fig. 3, had de structuur, vergeleken met ongerepte BA's, geen duidelijke verandering, en er waren enkele duidelijke golftoppen van de energie van − 9 eV in DOS, die een grote bijdrage leverden aan de DOS. Dit punt benadrukte ook de adsorptie van CO₂ gasmolecuul door BA's. De resultaten toonden aan dat het adsorptie-effect en de gevoeligheid van BA's voor CO₂ gasmolecuul waren algemeen.

H ₂ O adsorptie: H₂ O-gasmolecuul had de neiging om op de bovenkant van het As-atoom te adsorberen. De adsorptie-energie van H ² O/BA's was − 0,38 eV, de kostenoverdracht van BA's naar H ² O-gasmolecuul was − 0,03e, en de afstand van de H ² O-BA's was 3,63 Å. Zoals te zien is in figuur 3, waren er geen grote veranderingen in de structuur in vergelijking met ongerepte BA's. Het Fermi-niveau van Al-G nam duidelijk toe en verplaatste zich naar de valentieband. Over het algemeen is de H₂ Adsorptie van O-gasmoleculen op BA's werd genegeerd.

CO-adsorptie: CO-gasmolecuul had de neiging om aan de bovenkant van het As-atoom te adsorberen. De adsorptie-energie van CO / BA's was − 0,27 eV, de ladingsoverdracht van BA's naar CO-gasmolecuul was − 0,024e en de afstand van de CO-BA's was 3,50 . De totale dichtheid van toestanden (DOS) en bandstructuur voor BAs-CO werden uitgezet in Fig. 3. CO-gasmolecuul en As-atoom speelden een grote rol bij het effect van een piek van 3 tot 4 eV op de DOS. Er was echter geen afwijking in DOS in het bereik van − 7 tot 4 eV, wat suggereerde dat CO wekelijks werd geadsorbeerd op BA's. Er was een duidelijke golftop van de energie van − 3 tot 1 eV en 3 eV, die een grote bijdrage leverde aan de DOS. De populatieanalyse voor Mulliken-ladingsoverdracht toonde aan dat − 0, 024e-lading werd overgedragen van het BA-oppervlak naar het CO-gasmolecuul, en het suggereerde dat CO-gasmolecuul als acceptor fungeerde. Over het algemeen was het effect van adsorptie van CO-gasmoleculen op BA's niet speciaal.

GEEN adsorptie: NO-gasmolecuul had de neiging om aan de bovenkant van het B-atoom te adsorberen. De adsorptie-energie van NO/BA's was -0,18 eV, de ladingsoverdracht was -0,01e van NO-gasmolecuul naar BA's en de afstand van de NO-BA's was 2,86 Å. Er waren veel lijnen op het Fermi-energieniveau. Het ontdekte dat de energiekloof in de middelste band de bandafstandwaarde verminderde. Uit het dichtheidsdiagram van toestanden was er een extra golfpiek boven het Fermi-energieniveau, maar er was weinig verandering onder het Fermi-energieniveau, relatief stabiel in figuur 3. De vermenging van orbitalen veroorzaakte een kleine ladingsoverdracht en herverdeling over de interagerende regio. De populatieanalyse voor Mulliken-ladingoverdracht toonde aan dat 0,01e lading werd overgedragen van het BA-oppervlak naar het NO-molecuul, wat suggereert dat NO als donor fungeerde. Er was geen afwijking in DOS in het bereik van − 7 tot 4 eV, wat suggereerde dat NO wekelijks werd geadsorbeerd op BA's.

NEE ₂ adsorptie: NEE₂ gasmolecuul had de neiging te adsorberen aan de bovenkant van het As-atoom. De adsorptie-energie van NO₂ /BAs was − 0.43 eV, en de afstand van de NO₂ -BA's was 2.47 Å. Het interessante was dat het nulpunt in de band een rechte lijn kruiste direct na de adsorptie van NO₂ gasmolecuul, wat betekende dat de BA's, wat een halfgeleider is, werd omgezet in het gouden attribuut; band gap was 0 eV. Er was geen grote verandering in het geheel en er werd een piek gegenereerd van ongeveer -3 eV vanwege NO₂ moleculaire adsorptie van gas. Er was een duidelijke golftop van de energie van − 7 eV en 2 eV, die een grote bijdrage leverde aan de DOS. In het algemeen is de adsorptie van NO₂ door BA's was beter dan die van verschillende moleculen hierboven.

NH ₃ adsorptie: NH₃ gasmolecuul had de neiging te adsorberen aan de bovenkant van het As-atoom. De adsorptie-energie van NH ³ / BA was -0,34 eV, de ladingsoverdracht van NH ³ gasmolecuul tot BA was 0,007e, en de afstand van de NH ³ -BA was 3.27 Å. Er was geen duidelijke verandering in de energieband en de toestandsdichtheid, behalve dat er een duidelijke piek van adsorptie van NH₃ was. gasmolecuul onder het Fermi-niveau. De NH₃ gasmolecuul had een kleine impact op BA's bij − 8 tot − 4 eV, waardoor een piek van 15 eV werd gevormd. Het adsorptie-effect en de gevoeligheid van de BA's voor NH₃ gasmolecuul waren algemeen.

ZO ₂ adsorptie: SO₂ gasmolecuul had de neiging om te adsorberen op het centrale punt, de adsorptie-energie van SO₂ /BAs was − 0.92 eV, en de populatieanalyse voor Mulliken-ladingoverdracht toonde aan dat − 0.179e lading werd overgebracht van het BAs-oppervlak naar de SO₂ gasmolecuul, wat suggereert dat SO₂ gasmolecuul fungeert als acceptor. De afstand van de SO₂ /BA's was 2.46 Å. In vergelijking met andere gasmoleculen is de SO₂ /BA's hadden de grootste adsorptie-energie, de op een na grootste elektronenoverdracht en de kortste afstand van de SO₂ -BA's. Zoals weergegeven in figuur 3, had de valentieband van BA's een duidelijke opwaartse en verminderde bandafstand, en vanwege de geadsorbeerde SO₂ gasmolecuul, kon uit de dichtheid van toestanden worden gezien dat er nog een golfpiek was bij -7,5 eV en een zekere overdracht op het Fermi-niveau. De adsorptie van SO₂ door BA's had het uitstekende effect.

Fig. 4i toonde het elektronendichtheidsdiagram van SO₂ /BA's en de lokale elektron overlap tussen BA's en SO₂ gas molecuul. Op basis hiervan trokken we de conclusie dat de adsorptie van SO₂ door BA's was fysieke adsorptie. De berekening van WF getoond in Fig. 5 was van groot belang bij het onderzoeken van de mogelijkheid om de elektronische en optische eigenschappen (zoals absorptiespectra en energieverliesfuncties) te reguleren door kleine moleculen te adsorberen. De werkfunctie werd in de vaste fysica gedefinieerd als de minimale energie die nodig is om een ​​elektron van het binnenste van een vaste stof naar het oppervlak van het object te verplaatsen. De werkfunctie van ongerepte BA's was 4,84 eV. NEE en NH₃ gasmoleculen waren donoren die verantwoordelijk waren voor de overdracht en hun werkfunctie nam af; de werkfunctie was respectievelijk 4,80 eV en 4,68 eV. De werkfunctie van N₂ /BA's, CO₂ /BA's en CO/BA's was hetzelfde als die van BA's. De werkfunctie van O₂ /BA's, NO₂ /BA's en SO₂ /BA's was hoger dan BA's. Gecombineerd met de bovenstaande adsorptie-energie, afstand van gasmoleculen en BA's-oppervlak, ladingsoverdracht en werkfunctie, ontdekten we dat SO₂ gasmolecuul was het meest geschikt voor BA's-materialen.

Elektronendichtheid voor ongerepte N₂ /BA's (a ), O₂ /BA's (b ), CO₂ /BA's (c ), H₂ O/BA's (d ), CO/BA's (e ), NO/BA's (f ), GEEN₂ /BA's (g ), NH₃ /BA's (u ), en SO₂ /BA's (i )

Werkfunctie van BA's N₂ /BA's, O₂ /BA's, CO₂ /BA's, H₂ O/BA's, CO/BA's, NO/BA's, NO₂ /BA's, NH₃ /BA's en SO₂ /BA's