Aplikasi Potensial BA untuk Sensor Gas untuk Mendeteksi Molekul Gas SO2:Studi DFT
Abstrak
Molekul gas atmosfer yang berbeda (mis., N2 , O2 , CO2 , H2 O, CO, TIDAK, TIDAK2 , NH3 , dan SO2 ) diserap pada boron arsenida (BAs) heksagonal murni melalui perhitungan teori fungsi kerapatan. Untuk setiap molekul gas, berbagai posisi adsorpsi dipertimbangkan. Adsorpsi yang paling stabil tergantung pada posisi, energi adsorpsi, transfer muatan, dan fungsi kerja. JADI2 molekul gas memiliki energi adsorpsi terbaik, jarak terpendek untuk permukaan BAs dalam molekul gas atmosfer, dan sejumlah transfer muatan. Perhitungan fungsi kerja penting untuk mengeksplorasi kemungkinan penyesuaian sifat elektronik dan optik. Hasil yang kami sajikan materi BAs dapat menjadi sensor gas potensial SO2 dengan sensitivitas dan selektivitas tinggi.
Pengantar
BAs (heksagonal boron arsenida) terdiri dari unsur golongan III dan V. Golongan unsur III-V memiliki sifat-sifat yang sangat baik, seperti sifat fotolistrik yang sangat baik, sifat mekanik, dan celah pita yang besar [1]. Aplikasi potensial yang menjanjikan dari bahan 2D [2,3,4,5] didokumentasikan dengan baik dalam studi terbaru [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ,20]; bahan-bahan ini telah digunakan untuk mengenali berbagai biomolekul [21, 22], polutan [23, 24], dan molekul gas [25, 26] untuk mengembangkan perangkat penginderaan yang sesuai. Kami telah menemukan semakin banyak kelompok bahan elemen III-V, misalnya, BN, AlN, GaN, GaAs, dan BP, dan memiliki lebih banyak studi untuk molekul gas dengan perhitungan teoritis. Strak dkk. [27] menemukan AlN(0001) adalah katalis kuat untuk sintesis amonia bertekanan tinggi-suhu tinggi, dan penelitian ini juga mengkonfirmasi kemungkinan sintesis amonia yang efisien pada permukaan AlN(0001). Diao dkk. [28] menyajikan adsorpsi H2 O, CO2 , CO, H2 , dan N2 pada (10-10) permukaan kawat nano GaAs murni dan yang didoping Zn; pengaruh adsorpsi CO2 dan N2 pada koefisien penyerapan adalah yang terbesar. Cheng dkk. [29] menunjukkan adsorpsi sebagian besar molekul gas pada BP murni dan BP yang didoping dengan studi prinsip pertama dan menyimpulkan bahwa N-BP lebih cocok sebagai sensor gas untuk SO2 , TIDAK, dan TIDAK2 karena adanya proses desorpsi. Kamaraj dan Venkatesan [30] mempelajari struktur dan sifat elektronik BA oleh DFT dan LDA; meskipun kemajuan besar telah dibuat dalam sintesis eksperimental dan studi teoritis BA, hasil nanosheet BA memberi sistem aplikasi yang menjanjikan dalam nanoelektronik dan fotovoltaik.
Dalam karya ini, pertama-tama kami menyelidiki sifat penginderaan gas untuk sepenuhnya memanfaatkan kemungkinan BA sebagai sensor gas dengan perhitungan teori fungsional kepadatan (DFT). Kami memperkirakan sifat adsorpsi gas atmosfer (misalnya, CO2 , O2 , N2 , H2 O, TIDAK, TIDAK2 , NH3 , CO, dan SO2 ) pada BA berdasarkan perhitungan prinsip pertama. Pekerjaan kami menunjukkan perilaku adsorpsi yang nyata, transfer muatan sedang, dan karakteristik transmisi unik SO2 adsorpsi pada BA. Hasilnya menunjukkan bahwa BA monolayer memiliki potensi besar untuk SO2 aplikasi penginderaan.
Teori dan Metode Simulasi
Sistem dimodelkan sebagai supercell 4 × 4 BA dan molekul gas atmosfer yang teradsorpsi ke dalamnya. Di DMol
3
[31] proses perhitungan, faksi pertukaran-korelasi dihitung dalam perkiraan gradien umum (GGA) dengan Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [32]. Zona Brillouin diambil sampelnya menggunakan kisi titik-k 5 × 5 × 1 Monkhorst-Pack dan pengolesan Methfessel-Paxton 0,01 Ry. Semua struktur atom direlaksasi hingga energi total dan gaya Hellmann-Feynman menyatu menjadi 1,0 × 10
−5
eV dan 0,06 eV/Å [33].
Untuk mengevaluasi interaksi antara molekul gas dan permukaan lembar adsorpsi, kami menghitung energi adsorpsi (Eiklan ) dari sistem teradsorpsi, yang didefinisikan sebagai:
dimana EBAs + molekul gas adalah energi total sistem teradsorpsi BAs, EBA adalah energi BA, dan Emolekul gas adalah energi molekul gas. Semua energi dihitung untuk struktur atom yang dioptimalkan. Transfer muatan diselidiki oleh analisis populasi Mulliken.
Hasil dan Diskusi
Tiga situs adsorpsi dipertimbangkan untuk BAs dalam pekerjaan ini, yaitu bagian atas atom boron (B), bagian atas atom arsenik (As), dan pusat heksagonal B-As (pusat), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a . Kami mempelajari keberadaan atmosfer dan menemukan sensor gas terbaik.
a Tampilan skema situs teratas dan situs pusat di BA. b DOS dari BA
Pertama-tama, struktur geometris monolayer BAs murni telah dioptimalkan, dan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b, panjang ikatan BAs adalah 1,967 Å. Ada celah pita tidak langsung sebesar 1,381 eV untuk ditunjukkan dalam struktur pita lembaran BAs, yang lebih kecil daripada struktur curah. Nilai ini sesuai dengan nilai yang dilaporkan sebelumnya (Gbr. 2) [34, 35].
Konfigurasi adsorpsi molekul gas yang paling disukai secara energi:N2 (a ), O2 (b ), CO2 (c ), H2 O (d ), CO (e ), TIDAK (f ), TIDAK2 (g ), NH3 (h ), dan SO2 (i ) pada BA monolayer
Sementara itu, kami telah menganalisis energi adsorpsi, transfer muatan, dan jarak antara molekul dan permukaan BAs. Hasil akhirnya seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
T2adsorpsi: Adsorpsi N2 molekul gas pada BAs dipelajari untuk tiga konfigurasi N2 /BA, mis. sisi atas atom B, sisi atas atom As, dan pusat cincin heksagonal di atas permukaan BAs, dan jarak terdekat adalah 3,764 Å, 3,549 Å, dan 3,65 Å dan energi adsorpsi yang sesuai adalah 0,24 eV, 0,27 eV, dan 0.24 eV, masing-masing. Pusat memiliki energi adsorpsi terbaik dan struktur paling stabil. Energi adsorpsi N2 BA adalah 0,24 eV, transfer biaya dari BA ke N
2
molekul gas adalah 0,014e, dan jarak N2-BAs adalah 3,65 . Gambar 3a menunjukkan bahwa ada banyak garis di bawah tingkat energi Fermi, dan kerapatan keadaan yang sesuai memiliki beberapa puncak di bawah tingkat energi Fermi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, N2 molekul gas memiliki empat puncak, yang memiliki pengaruh tertentu pada BA, terutama dari 5 hingga 0 eV, dan memiliki kontribusi besar pada DOS. Secara keseluruhan, efek N2 adsorpsi molekul gas pada BA sangat buruk.
Kepadatan status (DOS) dari N2 /BA (a ), O2 /BA (b ), CO2 /BA (c ), H2 O/BA (d ), CO/BA (e ), TIDAK/BA (f ), TIDAK2 /BA (g ), NH3 /BA (h ) dan SO2 /BA (i )
O2adsorpsi: O2 molekul gas cenderung teradsorpsi pada titik pusat. Energi adsorpsi O2 /BAs adalah 0,35 eV, dan jarak O2 -BA adalah 2,90 Å. Struktur pita total dan DOS untuk O2 /BA diplot pada Gambar. 3. Jelas bahwa garis tambahan melintasi titik nol dan mengurangi celah pita; O2 molekul gas memiliki puncak pada 1 hingga 0 eV dan memiliki efek pada kerapatan keadaan di atas tingkat Fermi. Analisis populasi untuk transfer muatan Mulliken menunjukkan bahwa 0.172e ditransfer dari permukaan BAs ke O2 molekul gas, menunjukkan bahwa O2 molekul gas bertindak sebagai akseptor. Secara umum, O2 adsorpsi molekul gas pada BAs lebih baik daripada N2 .
CO2adsorpsi: CO2 molekul gas cenderung teradsorpsi pada bagian atas atom As. Energi adsorpsi CO
2
/BAs adalah 0,28 eV, transfer muatan dari BAs ke CO
2
molekul gas adalah 0,018e, dan jarak CO
2
-BA adalah 3,55 . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, dibandingkan dengan BA murni, strukturnya tidak memiliki perubahan yang jelas, dan ada beberapa puncak gelombang yang jelas dari energi 9 eV di DOS, yang memiliki kontribusi besar pada DOS. Poin ini juga menyoroti adsorpsi CO2 molekul gas oleh BAs. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efek adsorpsi dan sensitivitas BAs terhadap CO2 molekul gas bersifat umum.
H2O adsorpsi: H2 Molekul gas O cenderung teradsorpsi pada bagian atas atom As. Energi adsorpsi H
2
O/BAs adalah 0,38 eV, transfer biaya dari BAs ke H
2
Molekul gas O adalah 0,03e, dan jarak H
2
O-BA adalah 3,63 . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, tidak ada perubahan besar dalam struktur dibandingkan dengan BA murni. Tingkat Fermi Al-G meningkat jelas dan pindah ke pita valensi. Secara umum, H2 Adsorpsi molekul gas O pada BA diabaikan.
Adsorpsi CO: Molekul gas CO cenderung teradsorpsi pada bagian atas atom As. Energi adsorpsi CO/BAs adalah 0,27 eV, transfer muatan dari molekul gas BAs ke CO adalah 0,024e, dan jarak CO-BAs adalah 3,50 . Kepadatan total keadaan (DOS) dan struktur pita untuk BAs-CO diplot pada Gambar. 3. Molekul gas CO dan atom As memainkan peran besar dalam efek puncak 3 hingga 4 eV pada DOS. Namun, tidak ada penyimpangan dalam DOS dalam kisaran 7 hingga 4 eV, yang menunjukkan bahwa CO teradsorpsi mingguan pada BAs. Ada beberapa puncak gelombang yang jelas dari energi 3 hingga 1 eV dan 3 eV, yang memiliki kontribusi besar pada DOS. Analisis populasi untuk transfer muatan Mulliken menunjukkan bahwa muatan 0,024e dipindahkan dari permukaan BAs ke molekul gas CO, dan menunjukkan bahwa molekul gas CO bertindak sebagai akseptor. Secara keseluruhan, efek adsorpsi molekul gas CO pada BA tidak istimewa.
TIDAK ADA adsorpsi: Molekul gas NO cenderung teradsorpsi pada bagian atas atom B. Energi adsorpsi NO/BAs adalah 0,18 eV, transfer muatan 0,01e dari molekul gas NO ke BAs, dan jarak NO-BAs adalah 2,86 Å. Ada banyak garis pada tingkat energi Fermi. Ditemukan bahwa celah energi di pita tengah mengurangi nilai celah pita. Dari diagram kerapatan keadaan, ada puncak gelombang ekstra di atas tingkat energi Fermi, tetapi ada sedikit perubahan di bawah tingkat energi Fermi, relatif stabil pada Gambar 3. Pencampuran orbital menyebabkan transfer muatan dan redistribusi yang kecil selama interaksi wilayah. Analisis populasi untuk transfer muatan Mulliken menunjukkan bahwa muatan 0,01e ditransfer dari permukaan BAs ke molekul NO, menunjukkan bahwa NO bertindak sebagai donor. Tidak ada penyimpangan dalam DOS dalam kisaran 7 hingga 4 eV, yang menunjukkan bahwa NO teradsorpsi mingguan pada BA.
TIDAK2adsorpsi: TIDAK2 molekul gas cenderung teradsorpsi pada bagian atas atom As. Energi adsorpsi NO2 /BAs adalah 0.43 eV, dan jarak NO2 -BA adalah 2,47 Å. Yang menarik adalah bahwa titik nol pada pita melintasi garis lurus langsung setelah adsorpsi NO2 molekul gas, yang berarti bahwa BAs, yang merupakan semikonduktor, diubah menjadi atribut emas; celah pita adalah 0 eV. Tidak ada perubahan besar secara keseluruhan, dan puncak dihasilkan sekitar 3 eV karena NO2 adsorpsi molekul gas. Ada beberapa puncak gelombang yang jelas dari energi 7 eV dan 2 eV, yang memiliki kontribusi besar pada DOS. Secara umum adsorpsi NO2 oleh BA lebih baik daripada beberapa molekul di atas.
NH3adsorpsi: NH3 molekul gas cenderung teradsorpsi pada bagian atas atom As. Energi adsorpsi NH
3
/ BA adalah -0,34 eV, transfer biaya dari NH
3
molekul gas ke BA adalah 0,007e, dan jarak NH
3
-BA adalah 3,27 . Tidak ada perubahan yang jelas pada pita energi dan densitas keadaan, kecuali bahwa ada puncak adsorpsi NH3 yang jelas. molekul gas di bawah tingkat Fermi. NH3 molekul gas memiliki sedikit dampak pada BAs pada 8 hingga 4 eV, membentuk puncak 15 eV. Efek adsorpsi dan sensitivitas BA-nya terhadap NH3 molekul gas bersifat umum.
BEGITU2adsorpsi: JADI2 molekul gas cenderung teradsorpsi pada titik pusat, energi adsorpsi SO2 /BAs adalah 0.92 eV, dan analisis populasi untuk transfer muatan Mulliken menunjukkan bahwa 0.179e muatan dipindahkan dari permukaan BAs ke SO2 molekul gas, menunjukkan bahwa SO2 molekul gas bertindak sebagai akseptor. Jarak SO2 /BA adalah 2,46 Å. Dibandingkan dengan molekul gas lainnya, SO2 /BAs memiliki energi adsorpsi terbesar, transfer elektron terbesar kedua, dan jarak terpendek dari SO2 -BA. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, pita valensi BA memiliki kenaikan yang jelas dan celah pita menurun, dan karena SO2 yang teradsorpsi molekul gas, dapat dilihat dari kerapatan menyatakan bahwa ada satu lagi puncak gelombang pada 7.5 eV dan transfer tertentu pada tingkat Fermi. Adsorpsi SO2 oleh BA memiliki efek yang sangat baik.
Gambar 4i menunjukkan diagram kerapatan elektron SO2 /BAs dan elektron tumpang tindih lokal antara BAs dan SO2 molekul gas. Atas dasar ini, kami menarik kesimpulan bahwa adsorpsi SO2 oleh BA adalah adsorpsi fisik. Perhitungan WF yang ditunjukkan pada Gambar 5 sangat penting dalam mengeksplorasi kemungkinan mengatur sifat elektronik dan optik (seperti spektrum serapan dan fungsi kehilangan energi) dengan mengadsorpsi molekul kecil. Fungsi kerja didefinisikan dalam fisika padat sebagai energi minimum yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari bagian dalam benda padat ke permukaan benda. Fungsi kerja BAs murni adalah 4,84 eV. NO dan NH3 molekul gas adalah donor dalam transfer muatan, dan fungsi kerjanya menurun; fungsi kerjanya adalah 4,80 eV dan 4,68 eV, masing-masing. Fungsi kerja N2 /BA, CO2 /BAs, dan CO/BAs sama dengan BAs. Fungsi kerja O2 /BA, TIDAK2 /BA, dan SO2 /BA lebih tinggi dari BA. Dikombinasikan dengan energi adsorpsi di atas, jarak molekul gas dan permukaan BA, transfer muatan, dan fungsi kerja, kami menemukan bahwa SO2 molekul gas paling cocok untuk bahan BA.
Densitas elektron untuk N2 . murni /BA (a ), O2 /BA (b ), CO2 /BA (c ), H2 O/BA (d ), CO/BA (e ), TIDAK/BA (f ), TIDAK2 /BA (g ), NH3 /BA (h ), dan SO2 /BA (i )
Fungsi kerja BAs N2 /BA, O2 /BA, CO2 /BA, H2 O/BA, CO/BA, NO/BA, NO2 /BAs, NH3 /BA, dan SO2 /BA
Kesimpulan
Kami telah menyajikan sifat struktural dan elektronik BA dengan adsorben N2 , O2 , CO2 , H2 O, CO, TIDAK, TIDAK2 , NH3 , dan SO2 molekul gas, menggunakan metode teori fungsi kerapatan. Dalam energi adsorpsi, SO2> TIDAK2> H2 O > O2> NH3> CO2> CO > N2> TIDAK dan BEGITU2 < TIDAK2 < TIDAK2 < NH3 < CO < CO2 < H2 O < N2 dalam jarak adsorpsi. TIDAK2 memiliki Q . terbesar dan fungsi kerja, mungkin dapat dideteksi oleh bahan yang diusulkan karena respon listrik yang baik. JADI2 molekul gas memiliki energi adsorpsi terbaik, jarak terpendek untuk molekul gas dan permukaan BAs, dan sejumlah transfer muatan. Dikombinasikan dengan energi adsorpsi di atas, jarak molekul gas dan permukaan BA, transfer muatan, dan fungsi kerja, arus dan perubahan arus yang diinduksi adsorpsi menunjukkan karakteristik anisotropik yang kuat. Sensitivitas dan selektivitas tersebut untuk SO2 adsorpsi molekul gas menjadikan BA sebagai kandidat yang diinginkan sebagai sensor gas yang unggul.
