Al- en P-gedoteerde WS₂-sensoren: Verbeterde detectie van NO, NO₂ en SO₂ via first-principles analyse

Samenvatting

Tweedimensionale overgangmetaal-dichalcogeniden (2D TMD's), zoals WS₂, worden beschouwd als potentiële hoog-presterende gassensoren. Het is jammer dat de interactie tussen gassen en pristine 2D WS₂ als gevoelig element te zwak is, zodat de sensorrespons moeilijk te detecteren is. Hierin werden de sensormogelijkheden van Al- en P-gedoteerde WS₂ naar NO, NO₂ en SO₂ geëvalueerd. Met name werd selectiviteit naar doelgassen en dotantconcentratie overwogen. Moleculaire modellen van de adsorptiesystemen werden geconstrueerd, en dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) werd gebruikt om het adsorptiegedrag van deze gassen te verkennen vanuit het oogpunt van bindingsenergie, bandstructuur en dichtheid van toestanden (DOS). De resultaten suggereerden dat dotatiedeeltjes de adsorptiestrength tussen gasmoleculen en substraat konden verhogen. Daarnaast was de gevoeligheid van P-gedoteerde WS₂ naar NO en NO₂ nauwelijks beïnvloed door CO₂ of H₂O. De gevoeligheid van Al-gedoteerde WS₂ naar NO₂ en SO₂ was ook moeilijk te beïnvloeden door CO₂ of H₂O. Voor NO-detectie had WS₂ met 7,4% dotantconcentratie betere gevoelige eigenschappen dan die met 3,7% dotantconcentratie. Terwijl voor SO₂ het resultaat precies het tegenovergestelde was. Dit werk bood een uitgebreide referentie voor het kiezen van geschikte dotanten (concentratie) in 2D-materialen voor het detecteren van schadelijke gassen.

Inleiding

Stikstofoxiden en zwaveldioxide worden wijd gebruikt in industriële productie. Bijvoorbeeld, stikstofoxide (NO) kan gebruikt worden als stikstofbron voor dotatieprocessen in de halfgeleiderindustrie, en zwaveldioxide (SO₂) kan gebruikt worden om druiven te beschermen tegen bededering. Echter, deze gassen zijn niet alleen schadelijk maar kunnen ook ernstige milieuproblemen veroorzaken, zoals zure regen of photochemische smog. Het is noodzakelijk om de lekkage van deze gassen in industriële toepassingen te monitoren. Onder eerdere onderzoeken zijn metalen oxide gassensoren wijd bestudeerd, maar ze hebben nadelen van instabiliteit en beperkte werkomstandigheden. Het is dus van aanzienlijk belang om nieuwe materialen te vinden om deze gassen te detecteren. Om gasmoleculen effectief te detecteren, moeten materialen een groot oppervlakte-volumeverhouding en voldoende bindingskracht hebben om gasmoleculen te adsorberen. De ontdekking van grafeen en zeldzame gassenseigenschappen heeft onderzoekers gemotiveerd om hun aandacht te richten op 2D-materialen.

Onder 2D-materialen hebben overgangmetaal-disulfiden (TMD's) veel aandacht getrokken in het gassensorgebied vanwege hun stabiele halfgeleidereigenschappen en geschikte ladingdragerbewegelijkheid. Vooral als een typisch soort TMD's, heeft WS₂ verschillende unieke eigenschappen voor sensormaterialen, zoals uitstekende thermische stabiliteit, afstelbare bandstructuur en lage kosten. Echter, pristine 2D WS₂ als gevoelig element heeft enkele nadelen, zoals zwakke adsorptie met doelgassen, wat niet effectief gasmoleculen kan vangen. In dit geval wordt dotatie wijd gebruikt in 2D-materialen om de oppervlakte-eigenschappen en bindingskracht tussen materialen en gasmoleculen aan te passen en de adsorptie- en sensormogelijkheden van gassen te verbeteren. Natuurlijk hebben verschillende dotanten verschillende effecten op de sensorprestaties. Daarom moeten gedoteerde gevoelige substraten geschikte onzuiverheden vinden om hun sensorprestaties te verbeteren. Bijvoorbeeld, Pd-gedoteerde WS₂ hebben al hun verbetering ten opzichte van hun pristine tegenhangers in gassensing getoond. Helaas richtten de meeste eerdere studies over gedoteerde WS₂ als gevoelig element zich alleen op de bindingskracht en ladingsoverdracht tussen gasmoleculen en enkellaagsfilms. Adsorptieselectiviteit naar gassen en de invloed van dotatieconcentratie worden vaak genegeerd. In dit werk verkenden we uitgebreid niet alleen de bindingskracht en ladingsoverdracht, maar ook de adsorptieselectiviteit naar doelgassen en de invloed van dotatieconcentraties.

Hier, rekening houdend met dat Al- en P-atomen een nauwe covalente straal en vergelijkbare elektronische structuur hebben met S-atomen, is het voor hen gemakkelijker om S-atomen te vervangen en een stabiele covalente structuur te vormen. Veel eerdere studies hebben materialen met substitutiedotatie van S-atomen onderzocht. Daarom verkteende dit werk de sensorprestaties van Al- en P-gedoteerde WS₂ met behulp van DFT. De sensor-eigenschappen van de gedoteerde systemen met die van het ongedoteerde werden vergeleken in termen van bindingsenergie, bandstructuur en dichtheid van toestanden. Het bewees dat WS₂ gedoteerd met Al- of P-atomen duidelijke voordelen had ten opzichte van pristine WS₂ bij het detecteren van deze gassen. Naast NO, NO₂ en SO₂, beschouwden we CO₂ en H₂O als storingsgassen om de selectiviteit van een gedoteerd substraat naar de doelgassen te onderzoeken. Twee dotatieconcentraties, 3,7% en 7,4%, werden overwogen om de invloed op de gevoeligheid voor gassen te schatten. Dit werk biedt een uitgebreid inzicht om geschikte dotanten (concentratie) in 2D-materialen te selecteren voor het detecteren van schadelijke gassen.

Methoden

In dit werk waren alle first-principles berekeningen gebaseerd op DFT. De lokale dichtheidsbenadering (LDA) met de PWC-functie werd geselecteerd om de elektronenuitwisseling en correlatie aan te pakken. Om de berekeningslast te verlichten, werd kernel (DFT semi-core pseudopots) vervangen door een enkele effectieve potentieel. Duel numerieke orbitale basisset en orbitale polarisatiefunctie (DNP) werd gekozen. De globale orbitale afsnijradius was ingesteld op 4,9 Å om voldoende nauwkeurigheid te garanderen. De Monkhorst-Pack k-punten werden ingesteld op 4 × 4 × 1 na een convergentietest, met een vacuümlag van 13,4 Å om interactie tussen aangrenzende eenheden te vermijden. De energieconvergentieprecisie voor geometrie was 1,0 × 10⁻⁵ Hartree, terwijl de maximale verplaatsing 0,005 Å was en de maximale kracht 0,002 Hartree/Å.

Een 3 × 3 × 1 supercel met 9 W-atomen en 18 S-atomen werd opgesteld, zoals getoond in Fig. 1a. Voor de modellen van gedoteerde WS₂, werd een S-atoom vervangen door een P- of Al-atroom [28], zoals getoond in Fig. 1b–d. Vervolgens werd een geometrie-optimalisatie uitgevoerd. Daarna werd het gasmolecuul boven het WS₂-vlak geplaatst om het gasadsorptiemodel te bouwen. Drie plaatsen voor het geadsorbeerde gasmolecuul werden gekozen. Dit waren de top van S- of dotantatomen (I), de top van het middenpunt van de binding tussen het gedoteerde atoom en het W- of S-atroom (II), en het centrum van de hexagonale structuur (III), zoals getoond in Fig. 1a–c. Na de geometrie-optimalisaties voor elk adsorptiesysteem, werden de geometrische constructies met de meest stabiele gasadsorptie gevonden. De bindingsenergie (E_bind) kon de interactie tussen het materiaal en het geadsorbeerde gasmolecuul weerspiegelen en berekend worden door de volgende functie:

$$ {E}_{bind}={E}_{tot}-{E}_m-{E}_{gas} $$ (1)

Het 4 × 4 × 1 supercelmodel van a pristine WS₂, b Al-gedoteerde WS₂ en c P-gedoteerde WS₂ met de drie adsorptieplaatsen gemarkeerd. En de modellen van d NO, e NO₂ en f SO₂ moleculen. Geel, lichtblauw, donkerrood, violet, blauw en rode ballen vertegenwoordigen S, W, Al, P, N en O respectievelijk.

waarbij E_m de energie voorstelt van het materiaal zonder gasmoleculen te adsorberen, E_tot de totale energie voorstelt van het materiaal en de gasmoleculen, en E_gas de energie voorstelt van het geïsoleerde gasmolecuul. Een grotere absolute waarde van E_bind vertegenwoordigt een krachtigere interactiekracht tussen het materiaal en gasmoleculen.

E_fm), die de moeilijkheid kan weerspiegelen om een dotatiesysteem te vormen en de stabiliteit van het systeem, werd berekend door de onderstaande functie:

$$ {E}_{fm}={E}_{tot}+{E}_s-{E}_m-{E}_{dopant} $$ (2)

waarbij E_s de totale energie is van het gesubstitueerde S-atroom, en E_dopant de totale energie voorstelt van de dotantatomen. Een grotere waarde van E_fm betekent moeilijker om het dotatiesysteem te vormen.

Resultaten en discussie

De adsorptieposities zijn getoond in Fig. 1a–c, wat overeenkwam met pristine, Al-gedoteerde en P-gedoteerde WS₂ respectievelijk. In Fig. 1d–f waren de bindingslengtes van N–O, N=O en S=O 1,16 Å, 1,21 Å en 1,46 Å respectievelijk. De bindingslengte van W–S, Al–W en P–W binding was ongeveer 2,43 Å, 2,86 Å en 2,45 Å respectievelijk. Na de geometrische optimalisatie is de energetisch gunstige plaats voor elk adsorbatum gebruikt in de daaropvolgende discussie. De bindingsenergieën van het 3,7% P- en Al-gedoteerde WS₂ systeem op de energetisch gunstige plaats werden getoond in Tabel 1. De bindingsenergie van het zuivere WS₂ systeem werd getoond in Tabel S1. Vervolgens, volgens de resultaten van de bindingsenergie, was de interactie tussen gasmoleculen en zuivere WS₂ zo zwak dat het moeilijk was voor het substraatmateriaal om gasmoleculen stabiel te adsorberen. De bindingsenergie van het NO-pristine WS₂ systeem was zelfs positief. Echter, de introductie van dotant kon de adsorptiestrength tussen gas en WS₂ aanzienlijk verhogen, met name voor WS₂ gedoteerd door Al-atroom. Onder alle dotatiegevallen was de adsorptiestrength het kleinst, terwijl SO₂ geadsorbeerd op P–WS₂. Daarnaast, naast Al en P, werden andere elementen in dezelfde periode of familie met S, zoals O, Si, Cl of Se, ook overwogen. Het geval van Fe-gedoteerde W-gesubstitueerde WS₂ werd getoond in Fig. S1, terwijl WS₂ systemen met deze dotanten ofwel slechte stabiliteit (hoge E_fm) of zwakke interactie met gasmoleculen hadden. Hierover rekening houdend, werden deze dotanten niet betrokken in de daaropvolgende studies. De energetisch gunstige plaatsen (laagste negatieve bindingsenergie) van NO, NO₂ en SO₂ moleculen geadsorbeerd op de gedoteerde WS₂ werden getoond in Fig. S2, S3 en S4 respectievelijk.

De bandstructuren van pristine en Al- en P-gedoteerde monolayer WS₂ werden gepresenteerd in Fig. 2. De projectieve dichtheid van toestanden (PDOS) resultaten werd getoond in Fig. S5. De monolayer 2H WS₂ is een halfgeleider met een direct bandgap bij het Γ-punt. Voor WS₂ gedoteerd met Al-atroom, introduceerde de onzuiverheid interface toestanden in het bandgap-gebied van monolayer 2H WS₂. Wat meer is, de aanwezigheid van metaalatoom vormt de Schottky-barrière met het Ferminiveau vastgepind in het oppervlaktegebied van de halfgeleider. De vastpinningspositie is binnen 0,2 eV tot het Ferminiveau van de eerste halfgeleider. Metaleigenschappen worden gebracht door metaaldotanten. Op hetzelfde moment introduceerde het P-atroom energiebanden gemengd met het geleidings- en valentieband van WS₂. Bandstructuren van gedoteerde WS₂ na gasadsorptie werden getoond in Fig. S6. Gevolglik, in de gevallen van NO op Al-gedoteerde WS₂, NO op P-gedoteerde WS₂ en SO₂ op Al-gedoteerde WS₂, had de bandgap-breedte van het materiaal een duidelijke verandering na de gasmoleculen geadsorbeerd waren. Eerdere studies hebben getoond dat een vernauwde bandgap lagere kinetische stabiliteit, hogere chemische activiteit en een natuurlijkere elektronenovergang van het valentieband naar het geleidingsband betekent. Dus, na gasadsorptie, duidelijke bandgap-veranderingen van gedoteerde materialen maakten het mogelijk om gevoelige substraten te zijn om het bestaan van gasmoleculen te detecteren.

Bandstructuur van a pristine WS₂, b Al-gedoteerde WS₂ en c P-gedoteerde WS₂.

Op basis van de ladingsoverdracht tussen gasmoleculen en substraatmaterialen kan de detectie van gas voltooid worden door gassensoren. Volgens de traditionele ladingsoverdrachttheorie werd het mechanisme van het ladingsoverdrachtsproces tussen gas en WS₂ getoond in Fig. 3. LUMO is de laagst onbezette moleculaire orbitaal, terwijl HOMO de hoogst bezette moleculaire orbitaal is. E_f is het Ferminiveau van het substraat. Als E_f tussen LUMO en HOMO ligt, zal er geen ladingsoverdracht zijn volgens de traditionele theorie. Vervolgens voegde Zhou et al. toe dat het ladingsoverdrachtsmechanisme zou worden bepaald door de orbitaalmenging van LUMO en HOMO met het substraatmateriaal als E_f tussen LUMO en HOMO ligt, zoals getoond in Fig. 3a. Als de LUMO lager is dan het Ferminiveau van WS₂, zullen elektronen vloeien van WS₂ naar gasmolecuul getoond in Fig. 3b. Na het bereiken van de evenwichtstoestand is het E_f van het adsorptiesysteem hetzelfde als LUMO. Integenstelling, als de HOMO hoger is dan het Ferminiveau van WS₂, zullen elektronen vloeien van gasmoleculen naar WS₂ getoond in Fig. 3c. Het E_f van het adsorptiesysteem is hetzelfde als LUMO onder de evenwichtstoestand. De LUMO en HOMO-isovlakken van NO, NO₂ en SO₂ moleculaire orbitaal werden getoond in Fig. 4a–c respectievelijk. De energie van LUMO en HOMO en E_f van WS₂ werden gepresenteerd in Tabel S2. Volgens de tabel, lag E_f tussen LUMO en HOMO in de Al- en P-gedoteerde adsorptiesystemen. Daarom is het nodig om de orbitaalmenging tussen de LUMO en HOMO van gasmoleculen en het substraatmateriaal te verkennen.

Schematisch diagram van het ladingsoverdrachtsmechanisme.

LUMO en HOMO van moleculaire orbitaal a NO, b NO₂ en c SO₂.

DOS werd gebruikt om de elektronenverdeling en orbitaalmenging in het adsorptiesysteem verder te bespreken, wat afhing van de interactie tussen gassen en substraten. Figuur 5 presenteert de DOS van gassen, dotanten, S- en W-atomen. Zwart en rode lijnen waren de DOS-krommen van gassen en dotanten respectievelijk. En blauwe en olijfgroene lijnen waren die van S- en W-atomen respectievelijk. Na gasadsorptie, door de orbitaalinteractie, trad elektronenherverdeling op in het hele systeem, wat zou leiden tot overlapping van DOS-pieken tussen het gas en substraatmateriaal. De overlapping van DOS-pieken betekende de menging tussen moleculaire orbitaalen, wat het bestaan van een interactie tussen gas en sensormaterialen bewijst. De menging van moleculaire orbitaalen was nuttig voor ladingsoverdracht zodat het de adsorptie-interactie tussen gas en materiaaloppervlak kon versterken. Daarom werd de menging tussen moleculaire orbitaalen vergeleken om de adsorptie-effecten van gasmoleculen te evalueren. In Fig. 5a was de orbitaalmenging tussen NO-molecuul en Al-atroom bij −12,62 en −8,11 eV. En de orbitaalmenging tussen NO-molecuul en Al, S en W-atomen was bij 2,02 eV. In Fig. 5b was de orbitaalmenging tussen NO₂-molecuul en Al-atroom bij −19,60, −11,60 en −8,44 eV. En de orbitaalmenging tussen NO₂-molecuul en Al, S en W-atomen was bij 0 eV. In Fig. 5c was de orbitaalmenging tussen SO₂-molecuul en Al-atroom bij −12,09 eV. De orbitaalmenging tussen SO₂-molecuul en Al en S-atomen was bij −8,27 eV. De orbitaalmenging tussen SO₂-molecuul en Al, S en W-atomen was bij 1,75 eV. In Fig. 5d was de orbitaalmenging tussen NO-molecuul en P-atroom bij −12,21 eV. En de orbitaalmenging tussen NO-molecuul en P, S en W-atomen was bij −10 eV. In Fig. 5e was de orbitaalmenging tussen NO₂-molecuul en P-atroom bij −12,63 eV. En de orbitaalmenging tussen NO₂-molecuul en P, S en W-atomen was bij −9,66 en −5,51 eV. In Fig. 5f was de orbitaalmenging tussen SO₂-molecuul en S-atomen bij −9,25 eV. Uit de bovenstaande resultaten kan gevonden worden dat de aanwezigheid van onzuiverheden resulteert in meer orbitaalmenging. Bovendien is de orbitaalmenging in de systemen met Al-atroom gedoteerd meer dan die in de systemen met P-atroom gedoteerd, wat sterkere interactie tussen gasmoleculen en substraat in Al-gedoteerde systemen aangeeft, wat goed overeenkam met de bindingsenergieresultaten. Samengevat, de introductie van onzuiverheden kan meer geactiveerde pieken in het hele band leveren, wat de mogelijkheid van orbitaalmenging tussen het substraat en gasmoleculen verhoogt.

DOS van a NO, Al, S en W-atomen; b NO₂, Al, S en W-atomen; c SO₂, Al, S en W-atomen; d NO, P, S en W-atomen; e NO₂, P, S en W-atomen; en f SO₂, P, S en W-atomen.

Om de sensorpotentieel van de Al- en P-gedoteerde WS₂ verder te evalueren, werden CO₂ en H₂O ook overwogen om de selectiviteit van Al- en P-gedoteerde WS₂ naar doelgas te testen. Vergelijkbaar met NO, NO₂ of SO₂ adsorptie, werd de meest stabiele adsorptieplaats onder drie plaatsen met hoge geometrische symmetrie op WS₂ getoond in Fig. S7(a), (b), (c) en (d). De bindingsenergieresultaten werden gepresenteerd in Tabel S3, en bandstructuurrresultaten werden getoond in Fig. S7(e), (f), (g) en (h). De bindingslengte van C=O in geïsoleerde CO₂ en O–H in geïsoleerde H₂O was 1,175 Å en 0,971 Å respectievelijk. Ze veranderden niet veel na gasadsorptie op de gedoteerde WS₂ behalve voor H₂O geadsorbeerd op Al-WS₂. Dat gaf aan dat de interactie tussen het H₂O-molecuul en Al-gedoteerde WS₂ de sterkste was. Volgens Tabel 2 was de berekende bindingsenergie van H₂O op Al-WS₂ −1,69 eV.

Al deze resultaten wijzen op een mogelijkheid dat Al-gedoteerde WS₂ slechte selectiviteit zou hebben naar doelgas onder het bestaan van H₂O. Om dit punt verder te bevestigen, werd de DOS-analyse uitgevoerd, getoond in Fig. 6. Voor Fig. 6b, in de groep H₂O op Al-WS₂, waren de overlappingen van DOS-pieken tussen het gas en substraatmateriaal bij E_f (0 eV) veel duidelijker dan de andere drie. Dat bewees een sterke interactie en meer mogelijkheid van ladingsoverdracht tussen H₂O-molecuul en Al-WS₂. Daarnaast kon meer orbitaalmenging tussen het H₂O-molecuul en Al-atroom gevonden worden, wat meer bewijs leverde voor de interactie. Hieruit konden we concluderen dat Al-gedoteerde WS₂ als sensormateriaal gemakkelijk beïnvloed zou worden door H₂O. De bindingsenergie was −0,18 en −0,27 eV met CO₂ en H₂O adsorberend op P-gedoteerde WS₂ respectievelijk. Deze resultaten waren minder dan de bindingsenergie van NO (−0,87 eV) en NO₂ (−1,27 eV) maar heel dicht bij de bindingsenergie van SO₂ (−0,29 eV) op P-gedoteerde WS₂. In Fig. 6c was de orbitaalmenging tussen CO₂-molecuul en P-atroom bij −12,63 en −9,66 eV. In Fig. 6d was de orbitaalmenging tussen H₂O-molecuul en S-atomen bij −9,25 eV. Daarom was de gevoeligheid van P-gedoteerde WS₂ naar SO₂ gemakkelijk beïnvloed in de aanwezigheid van CO₂ of H₂O wanneer bindingsenergie en orbitaalmenging gelijktijdig in overweging genomen werden.

DOS van a CO₂, Al, S en W-atomen; b H₂O, Al, S en W-atomen; c CO₂, P, S en W-atomen; en d H₂O, P, S en W-atomen.

De enkelaatoom-dotatie (3,7% dotatieconcentratie) werd in de bovenstaande delen besproken. Overwegend dat verschillende dotatieconcentraties een impact hadden op de sensorprestaties, werd het geval van tweeatoom-dotatie (7,4% dotatieconcentratie) ook besproken in het 3 × 3 WS₂ model. S-atomen werden nog steeds vervangen door dotatietatomen. Er waren vier situaties voor dotatielocaties getoond in Fig. S8. Voor Al-gedoteerde WS₂ werden ze genoemd als 2Al-1, 2Al-2, 2Al-3 en 2Al-4 respectievelijk. Voor P-gedoteerde WS₂ werden ze genoemd als 2P-1, 2P-2, 2P-3 en 2P-4 respectievelijk. Vervolgens werd de vormingsenergie van elk dotatiesysteem berekend om de moeilijkheid van het vormen van deze structuren te evalueren. Hoe lager de vormingsenergie is, hoe makkelijker de vorming van configuratie is. De resultaten van de vormingsenergie werden getoond in Tabel S4. De 2Al-1 structuur werd gekozen omdat het de laagste vormingsenergie had onder de vier gevallen. Op dezelfde manier werden 2P-1 en 2P-3 gekozen omdat ze aangrenzende vormingsenergieën hadden.

Volgens bandstructuurrresultaten (Fig. S6) had Al-gedoteerde WS₂ uitstekende adsorptieprestaties naar NO en SO₂ dan NO₂ toen de dotatieconcentratie 3,7% was. En P-gedoteerde WS₂ had superieure adsorptieprestaties naar NO dan NO₂ en SO₂. Daarom, voor Al-gedoteerde WS₂, werden alleen NO en SO₂ overwogen toen de dotatieconcentratie 7,4% was. Voor P-gedoteerde WS₂ werd alleen NO overwogen. Op basis hiervan werd de invloed van dotatieconcentratie op adsorptieprestaties verkend. De meest stabiele adsorptiestructuren werden getoond in Fig. S9 en de bindingsenergieresultaten werden getoond in Tabel S5. DOS van deze systemen werden gepresenteerd in Fig. 7. In Fig. 7a was de orbitaalmenging tussen NO-molecuul en Al-atomen bij −6,51, −3,25 en −0,75 eV respectievelijk. De orbitaalmenging tussen NO-molecuul en S- en W-atomen was bij 1,78 eV. In Fig. 7b was de orbitaalmenging tussen SO₂-molecuul en S-atomen bij −19,69 eV. De orbitaalmenging tussen SO₂-molecuul en S- en Al-atomen was bij −10,91 eV. In Fig. 7c was de orbitaalmenging tussen NO-molecuul en P-atomen bij −7,67 eV. De orbitaalmenging was bij −0,86 eV tussen NO-molecuul en P- en W-atomen. De orbitaalmenging was bij −2,39 eV tussen NO-molecuul en P, S en W-atomen. In Fig. 7d was de orbitaalmenging tussen NO-molecuul en W-atomen bij −12,55 en −0,76 eV respectievelijk. Vergelijking van Fig. 7a met Fig. 5a toont aan dat de orbitaalmenging en bindingsenergie versterkt werden, wat aangeeft dat 7,4% Al-dotatieconcentratie grotere NO-adsorptieprestaties induceerde dan 3,7%. Vergelijking van Fig. 7b met Fig. 5c, de orbitaalmenging en bindingsenergie zwakte, wat suggereert dat 7,4% Al-dotatieconcentratie slechtere SO₂-adsorptieprestaties veroorzaakte dan 3,7%. En de negatieve bindingsenergie van het 2P-1 systeem was lager dan die van 2P-3, volgens Tabel S5. Daarom was de adsorptieprestatie van het 2P-3 systeem slechter dan de 2P-1, vanuit het oogpunt van bindingsenergie en orbitaalmenging, dan vergelijking van de 2P-1 structuur met Fig. 5d. Vergelijking van Fig. 7c met Fig. 5d, de orbitaalmenging en bindingsenergie werden versterkt en dat gaf aan dat 7,4% P-dotatieconcentratie betere NO-adsorptieprestaties kon brengen dan 3,7%. Samengevat, kon waargenomen worden dat de invloed van verschillende dotatieconcentraties op de sensorprestaties van P-gedoteerde WS₂ kleiner was dan die van Al-gedoteerde WS₂.

DOS van a NO, 2Al-1, S en W-atomen; b SO₂, 2Al-1, S en W-atomen; c NO, 2P-1, S en W-atomen; en d NO, 2P-3, S en W-atomen. e Bindingsenergieën van alle adsorptiesystemen.

Aan de andere kant, de bindingsenergieën van alle adsorptiesystemen werden getoond in de vorm van een staafdiagram in Fig. 7e. Volgens Fig. 7e, konden zowel concentraties van 3,7% en 7,4% dotatie de adsorptiestrength van het systeem verhogen vergeleken met het zuivere WS₂ systeem. Voor de systemen gedoteerd met twee P-atomen, verbeterde 7,4% dotatie de adsorptiestrength meer dan 3,7% dotatie, met name voor NO-gas adsorberend. Voor de systemen gedoteerd met twee Al-atomen, nam de adsorptiestrength naar NO-gas toe. Terwijl de adsorptiestrength naar SO₂ of NO₂ afnam, en dat in de gevallen met SO₂ meer afnam dan de gevallen met NO₂. Over het algemeen had de toename van dotatieconcentratie een grotere invloed op de adsorptiestrength van Al-gedoteerde systemen dan P-gedoteerde.

Conclusie

In dit werk, met first principles, werden theoretische berekeningen uitgevoerd om de invloed van Al- en P-dotanten en hun dotatieconcentratie op de gevoelige prestaties van WS₂ naar NO, NO₂ en SO₂ molecuul te evalueren. Het werk verkende ook de selectiviteit naar doelgassen in de aanwezigheid van CO₂ en H₂O gassen. Voor de bandstructuur na gasadsorptie, betekende de verandering van bandgap en lage niveaus bij het Ferminiveau dat gedoteerde WS₂ groot potentieel had om gebruikt te worden als een weerstandstype gassensor naar NO of SO₂. Volgens de bindingsenergieresultaten hadden zowel Al- als P-gedoteerde WS₂ lagere negatieve bindingsenergie naar gasmoleculen dan pristine WS₂, wat de verbetering van adsorptiestrength aangeeft vanwege de aanwezigheid van onzuiverheid. DOS toonde aan dat de onzuiverheid meer geactiveerde pieken kon genereren en de orbitaalmenging tussen gas en substraat aanzienlijk kon stimuleren om de gevoeligheid van het substraatmateriaal te verbeteren. Daarom was er meer ladingsoverdracht en sterkere bindingsinteractie tussen gasmoleculen en gedoteerde WS₂ materiaal. Daarnaast was de gevoeligheid van P-gedoteerde WS₂ naar NO en NO₂ bijna onmogelijk te beïnvloeden door CO₂ en H₂O, terwijl die naar SO₂ zou veranderen in de aanwezigheid van CO₂ of H₂O. De gevoeligheid van Al-gedoteerde WS₂ naar NO was gemakkelijk beïnvloed door H₂O maar moeilijk te beïnvloeden door CO₂. Echter, de gevoeligheid van Al-gedoteerde WS₂ naar NO₂ en SO₂ was moeilijk te beïnvloeden door CO₂ en H₂O. Voor NO-detectie had Al- en P-gedoteerde WS₂ met een 7,4% dotantconcentratie betere gevoelige eigenschappen dan die met een 3,7% dotantconcentratie. Terwijl voor SO₂-sensing, had Al-gedoteerde WS₂ met een dotantconcentratie van 7,4% een meer uitgesproken zwakke responsieve prestatie dan die met een 3,7% dotantconcentratie. De invloed van dotatieconcentratie op de sensorprestaties van P-gedoteerde WS₂ was kleiner dan die van Al-gedoteerde WS₂. Daarom kunnen onze uitgebreide berekeningen gedoteerde tweedimensionale materialen een waardevolle referentie bieden voor het detecteren van schadelijke gassen.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder restricties.

Afkortingen

2D:

Tweedimensionaal

TMD's:

Overgangmetaal-disulfiden

DFT:

Dichtheidsfunctionaaltheorie

LDA:

Lokale dichtheidsbenadering

DNP:

Dubbel numeriek plus polarisatie

DOS:

Dichtheid van toestanden

PDOS:

Partiële dichtheid van toestanden

LUMO:

Laagst onbezette moleculaire orbitaal

HOMO:

Hoogst bezette moleculaire orbitaal