Perilaku Adsorpsi Molekul Gas CH4 pada Monolayer MoX2(S, Se, Te):Studi DFT
Abstrak
Kami memprediksi CH4 -penginderaan kinerja monolayer MoX2 (S, Se, Te) dengan kekosongan X, kekosongan Mo, dan kekosongan menurut teori fungsi kepadatan (DFT). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kombinasi unsur golongan utama keenam yang berbeda dengan atom Mo memiliki perilaku adsorpsi yang berbeda untuk CH4 molekul gas. Dibandingkan dengan MoX2 , MVX , MVMo , dan MVD umumnya menunjukkan sifat adsorpsi yang lebih baik di bawah kondisi yang sama. Selain itu, cacat yang berbeda akan memiliki efek yang berbeda pada perilaku adsorpsi sistem, MVD (MoTe2 ) memiliki adsorpsi yang lebih baik, transfer muatan yang lebih baik, dan jarak terpendek dalam sistem ini. Hasilnya diusulkan untuk memprediksi CH4 sifat adsorpsi molekul gas MVD (MoTe2 ) dan akan membantu membimbing para eksperimentalis untuk mengembangkan materi yang lebih baik berdasarkan MoX2 untuk aplikasi pendeteksian atau penginderaan gas yang efisien.
Pengantar
Metana (CH4 ) adalah senyawa organik paling sederhana dengan gas tidak berwarna dan tidak berasa [1,2,3,4], yang pada dasarnya tidak beracun bagi manusia, kandungan oksigen di udara jelas akan berkurang ketika konsentrasi metana terlalu tinggi, yang membuat orang tercekik. Ketika konsentrasi metana mencapai 25-30% di udara, akan menyebabkan sakit kepala, pusing, kelelahan, kurang perhatian, pernapasan dan detak jantung yang cepat, serta ataksia [5,6,7]. Sejak munculnya graphene [8, 9] dan penemuan isolator topologi [10], banyak fisika menarik telah ditemukan dalam sistem dengan dimensi tereduksi. Bahan dua dimensi (2D) lainnya, seperti lapisan tunggal atau sistem beberapa lapisan (lapisan nano) dari dichalcogenides logam transisi (TMDs), menjadi penting karena celah pita intrinsiknya [11,12,13,14,15]. TMD adalah MX2 -jenis senyawa di mana r (S, Se, Te) [16,17,18,19]. Bahan-bahan ini membentuk struktur berlapis di mana X . yang berbeda -A -X lapisan disatukan oleh gaya van der Waals yang lemah [20,21,22,23,24,25,26]. Yi Li [27] mempelajari bahwa energi adsorpsi COF2 di Ni-MoS2 lebih baik dari CF4 , dan Ni-MoS2 bertindak sebagai donor elektron dan transfer muatan yang jelas diamati. Soumyajyoti Haldar [28] melaporkan bahwa sifat struktural, elektronik, dan magnetik dari cacat skala atom pada logam transisi 2D dichalcogenides MX2 , dan lowongan yang berbeda memiliki pengaruh yang besar pada dichalcogenides MX 2D yang berbeda2 , kemungkinan celah pita, kepadatan status, beberapa properti, dan sebagainya. Janghwan Cha [29] menggunakan fungsi yang berbeda untuk menunjukkan energi yang relatif mengikat tentang molekul gas dan MoX2 . Fungsi optPBE-vdW menunjukkan energi pengikatan yang relatif besar. Selain itu, TMD merupakan bahan yang menjanjikan untuk mewujudkan sensor gas, jadi kami mempelajari pengaruh banyak cacat pada MoX2 (X=S, Se, Te) untuk struktur, celah pita [30,31,32], energi adsorpsi, transfer muatan, dll. Makalah ini mempelajari interaksi metana dengan monolayer MoX2 dengan simulasi prinsip pertama (lihat Gambar 1). Bola warna hijau adalah atom Mo, dan bola warna kuning adalah atom X, jarak d1 untuk S-S, Se-Se, dan Te-Te masing-masing adalah 3,190 , 3,332 , dan 3,559 , jarak d2 sama dengan ketiga kasus d1 . Pekerjaan ini didasarkan pada DFT, dan energi adsorpsi, transfer muatan, jarak adsorpsi, dan keadaan densitas (DOS) dari CH4 molekul gas pada MoX2 dipelajari.
a Tampak depan. b Tampak samping. c Tampilan kiri
Metode dan Teori
Supercell 4 × 4 dari MoX2 (32 atom X dan 16 atom Mo) dan CH4 molekul gas yang teradsorpsi ke dalamnya dibangun di studio Material [33,34,35,36]. DMol
3
[37] perangkat lunak digunakan untuk perhitungan. Dalam makalah ini, fungsi Perdew, Burke, dan Ernzerhof (PBE) [38, 39] dengan pendekatan gradien umum (GGA) dipilih untuk menggambarkan energi pertukaran Vxc. Mo dihasilkan dalam 4p
6
5 detik
1
4 hari
5
konfigurasi dan yang lain digunakan untuk pembangkitan elektron valensi X. Zona Brillouin dari MoX2 diambil sampelnya menggunakan kisi titik-k 6 × 6 × 1 dan pengolesan Methfessel-Paxton 0,01 Ry. Energi cutoff adalah 340 eV dengan self-consistence-field (SCF) terkonvergensi 1,0 × 10
−5
eV. Semua struktur atom direlaksasi sampai toleransi perpindahan maksimum 0,001 dan toleransi gaya maksimum 0,03 eV/Å [40, 41].
Kami menghitung energi adsorpsi (Eiklan ) dalam sistem teradsorpsi, yang didefinisikan dalam persamaan berikut:
Dimana, Emolekul gas MoX2 + CH4,EMoX2 dan Emolekul gas CH4 mewakili energi dari monolayer MoX2 sistem teradsorpsi, monolayer MoX2 , dan CH4 molekul gas, masing-masing. Semua energi mencapai optimasi terbaik setelah optimasi struktural. Kami menggunakan analisis populasi Mulliken untuk mempelajari transfer biaya.
Hasil dan Diskusi
Pertama, kita membahas struktur geometris dan listrik dari keempat MoX2 substrat (lihat pada Gambar. 2). Panjang ikatan Mo-S, Mo-Se, dan Mo-Te adalah 2,426 , 2,560 , dan 2,759 , yang sesuai dengan nilai eksperimen 2,410 (MoS2 ) [42, 43], 2.570 (MoSe2 ) [44] dan 2,764 (MoTe2 ) [45], empat struktur MoX2 dalam makalah ini, MoX murni2 , MVX (kekosongan satu atom X), MVMo (satu kekosongan atom Mo), dan MVD (satu kekosongan atom X dan satu atom Mo). Relaksasi struktural penuh menunjukkan bahwa panjang ikatan X-Mo regangan dari 2,420 menjadi 2,394 (MVS ), 2,420 hingga 2,398 (MVMo ), dan alasan utamanya adalah bahwa tidak adanya atom meningkatkan interaksi antara atom Mo yang berdekatan dan atom S lainnya, ikatan kimia menjadi lebih kuat dan panjang ikatan menjadi lebih pendek.
Tampilan atas MoX2 dengan a MoX murni2 , b S lowongan, c Mo lowongan, dan d kekosongan. Bola hijau dan kuning masing-masing mewakili atom Mo dan X(S, Se, Te).
Gambar 3a–c menampilkan perhitungan energi adsorpsi, transfer muatan, dan jarak adsorpsi CH4 /MoX2 sistem. Sebelum adsorpsi, jarak antara CH4 molekul gas dan molibdenum disulfida adalah 3,6 . CH4 molekul gas yang diperoleh sekitar 0,001 e hingga 0,009 e dari empat sistem MoS2 sheet, 0,009 e hingga 0,013 e dari empat sistem MoSe2 sheet dan 0.014 e hingga 0.032 e dari empat sistem MoTe2 sheet, masing-masing, yang berarti bahwa CH4 bertindak sebagai akseptor. Penyertaan koreksi van der Waals meningkatkan energi adsorpsi CH4 molekul gas sebesar 0,31 eV hingga 0,46 eV pada empat sistem MoS2 sistem, sebesar 0,07 eV hingga 0,50 eV pada empat sistem MoSe2 sistem, dan sebesar 0,30 eV hingga 0,52 eV pada empat sistem MoTe2 sistem, dan 0,01 eV biasanya dianggap dalam kisaran kesalahan. Jelas bahwa jarak adsorpsi adalah yang terpendek dalam kasus cacat atom S dan cacat divacancy. Untuk meringkas data di atas, kami melihat bahwa efek adsorpsi adalah yang terbaik di bawah kondisi cacat divacancy.
Energi adsorpsi, jarak atom terpendek antara molekul dan MoX2 , dan biaya transfer
Adsorpsi CH4 Molekul Gas pada Monolayer MoS2
Untuk memiliki pemahaman yang jelas tentang mekanisme ikatan CH4 molekul gas pada MoS murni dan cacat2 (termasuk MV , MVMo, dan MVD ), kami menganalisis kepadatan keadaan (DOS) yang sesuai untuk CH yang teradsorpsi4 molekul gas dalam struktur adsorpsi. Membandingkan empat sistem, efek adsorpsi CH4 molekul gas pada MoS murni dan cacat2 (termasuk MV , MVMo , dan MVD ) diselidiki lebih lanjut. DOS (Gbr. 4) menunjukkan bahwa ada perubahan tertentu di sekitar level Fermi, yang sama dengan bentuk DOS umum. Celah pita energi dari empat sistem teramati di sepanjang titik gamma (G) sebesar 1,940 eV (MoS2 ), 1,038 eV (MVS ), 0,234 eV (MVMo ), dan 0,209 eV (MVD ). Selain itu, celah pita energi yang diamati dari MoS2 nanosheet sesuai dengan pekerjaan teoritis lain yang dilaporkan (1,78 eV [39], 1,80 eV [40]) dan pekerjaan eksperimental (1,90 eV [41], 1,98 eV [42]). Sementara itu, monolayer MoS2 memiliki lima nilai puncak, puncaknya adalah 12.2 eV, 5 eV, 4 eV, 2 eV, dan 1 eV yang dianggap berasal dari atom S di MoS2 dan atom Mo di MoS2 . Namun, DOS dari empat sistem (Gbr. 4) menunjukkan bahwa level elektronik CH4 molekul gas memiliki puncak sekitar 3 eV yang mendekati tingkat Fermi. Itu berkontribusi pada pita konduksi dalam sistem dan mempengaruhi konduktivitas sistem. Membandingkan empat sistem, puncak MV 12,5 eV jelas jauh lebih rendah daripada MoS2 karena cacat atom S di MoS2 . Dan cacat atom Mo tidak berpengaruh banyak; Namun, kontribusi di zona konduksi masih menurun. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3 b, jelas, pita di sekitar 0 eV semakin kecil dan semakin kecil, dan kurva semakin stabil. Singkatnya, tidak ada ikatan antara CH4 molekul gas dan MoS2 , dan transfer elektron dan energi adsorpsi kecil, dan adsorpsi tidak terlalu kuat, yang jelas adsorpsi fisik.
Struktur dan DOS dari CH4 molekul gas pada empat sistem (MoS2 , MVS , MVMo , dan MVD )
Adsorpsi CH4 Molekul Gas pada Monolayer MoSe2
Kami mempelajari adsorpsi CH4 molekul gas pada empat sistem MoSe2 , dapat dilihat dari DOS (Gbr. 5) bahwa tingkat energi elektron CH4 molekul gas di empat orientasi adsorpsi mendekati tingkat Fermi, yang memiliki pengaruh tertentu pada konduktivitas sistem, dan sistem celah pita sangat kecil, sama seperti adsorpsi MoS2 . Sementara itu, DOS (Gbr. 5) juga menunjukkan bahwa atom Se di MoSe2 memiliki lima nilai puncak, puncaknya adalah 12 eV, 5 eV, 4 eV, 3 eV, dan 2 eV, atom Mo dalam MoSe2 memiliki puncak yang tumpang tindih pada sekitar 0,5 eV dan 2 eV. Dibandingkan dengan MoS2 , Se berkontribusi lebih pada sistem daripada S di MoS2 di bawah tingkat fermi, dan celah pita energi dari empat sistem diamati di sepanjang titik gamma (G) yang diketahui sebesar 1,680 eV (MoSe2 ), 1,005 eV (MVSe ), 0,094 eV (MVMo ), dan 0,024 eV(MVD ). Pita itu lebih sempit dan lebih stabil di sekitar 0 eV. Oleh karena itu, dapat dipastikan bahwa sifat adsorpsi dan CH4 molekul gas pada keempat sistem adalah fisisorpsi.
Struktur dan DOS dari CH4 molekul gas pada empat sistem (MoSe2 , MVSe , MVMo , dan MVD )
Adsorpsi CH4 Molekul Gas pada Monolayer MoTe2
Kami mempelajari adsorpsi CH4 molekul gas pada empat sistem MoTe2 , DOS (Gbr. 6) dari CH4 molekul gas di MoTe2 dianalisis. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 6, level elektronik CH4 di empat MoTe2 sistem pendek dengan CH4 /MoS2 sistem dan CH4 /MoSe2 sistem, dan celah pita energi dari empat sistem yang diamati di sepanjang titik gamma (G) diketahui sebesar 1,261 eV (MoTe2 ), 0,852 eV (MVTe ), 0 eV (MVMo ), dan 0,316 eV (MVD ). Salah satu hal yang paling aneh dari semuanya adalah cacat atom Mo, yang memungkinkan sistem diubah dari semikonduktor menjadi logam. Sementara itu, DOS (Gbr. 6) juga menunjukkan bahwa atom Te di MoTe2 memiliki empat nilai puncak, puncaknya adalah 10 eV, 5 eV, 3 eV, dan 1 eV dan atom Mo dalam MoSe2 memiliki puncak yang tumpang tindih pada sekitar 1 eV.
Struktur dan DOS dari CH4 molekul gas pada empat sistem (MoTe2 , MVTe , MVMo , dan MVD )
Secara umum, berdasarkan perilaku adsorpsi CH4 molekul gas dalam sistem yang berbeda, CH4 molekul gas yang diadsorpsi oleh MVX bisa memiliki dua puncak di dekat tingkat Fermi. DOS antara dua paku tidak nol tetapi sangat lebar, yang mencerminkan sifat kovalen yang kuat dari sistem. Untuk meringkas semua data, MVTe mungkin menjadi bahan penginderaan yang ideal untuk mendeteksi CH4 molekul gas.
Kesimpulan
Kami melakukan studi kepadatan-fungsional-GGA untuk mempelajari interaksi CH4 . yang terisolasi molekul gas pada MoX2 (X=S, Se, Te). Hasilnya menunjukkan bahwa cacat yang berbeda mengubah sifat listrik MoX2 sangat, dan hasil kami mengungkapkan interaksi yang lemah antara CH4 molekul gas dan MoX2 monolayer, yang menunjukkan sifat fisik adsorpsi. Plot kerapatan elektron total mengkonfirmasi fisisorpsi molekul gas pada MoX2 permukaan, karena material berinteraksi secara lemah dengan CH4 molekul gas tanpa pembentukan ikatan kovalen pada daerah antarmuka. Selanjutnya, struktur MVD memiliki celah pita yang baik, sifat semikonduktor, energi adsorpsi terbaik, dan transfer muatan yang lebih kuat untuk CH4 molekul gas. Selain itu, struktur pita elektronik dari sistem penginderaan diubah pada adsorpsi molekul gas. MoTe2 memiliki energi adsorpsi tertinggi (− 0,51 eV), jarak antarmolekul terpendek (2,20 ), dan transfer muatan lebih tinggi (− 0,026 e). Terakhir dari analisis ketiga materi tersebut dapat diketahui bahwa MVD (MoTe2 ) memiliki efek adsorpsi terbaik pada CH4 molekul gas. Hasil yang dihitung dengan demikian menyarankan dasar teoretis untuk aplikasi potensial MVD (MoTe2 ) lapisan tunggal di CH4 perangkat sensor gas berbasis.
