Penginderaan Perilaku Dua Dimensi Al- dan P-Doped WS2 Terhadap NO, NO2, dan SO2:Studi Ab Initio
Abstrak
Dichalcogenides logam transisi dua dimensi (2D TMD), seperti WS2 , dianggap memiliki potensi untuk sensor gas performa tinggi. Sangat disayangkan bahwa interaksi antara gas dan WS 2D murni2 karena elemen sensitif terlalu lemah sehingga respons sensor sulit dideteksi. Di sini, kemampuan penginderaan WS yang didoping Al dan P2 ke TIDAK, TIDAK2 , dan SO2 dievaluasi. Terutama, kami mempertimbangkan selektivitas untuk menargetkan gas dan konsentrasi dopan. Model molekuler dari sistem adsorpsi dibangun, dan teori fungsi densitas (DFT) digunakan untuk mengeksplorasi perilaku adsorpsi gas-gas ini dari perspektif energi ikat, struktur pita, dan keadaan densitas (DOS). Hasil penelitian menunjukkan bahwa doping atom dapat meningkatkan kekuatan adsorpsi antara molekul gas dan substrat. Selain itu, sensitivitas WS yang didoping-P2 menjadi TIDAK dan TIDAK2 hampir tidak terpengaruh oleh CO2 atau H2 O. Sensitivitas WS yang didoping Al2 ke TIDAK2 dan SO2 juga sulit dipengaruhi oleh CO2 atau H2 O. Untuk deteksi NO, WS2 dengan konsentrasi dopan 7,4% memiliki sifat sensitifitas yang lebih baik dibandingkan dengan konsentrasi dopan 3,7%. Sedangkan untuk SO2 , hasilnya justru sebaliknya. Karya ini memberikan referensi komprehensif untuk memilih dopan (konsentrasi) yang sesuai ke dalam bahan 2D untuk mendeteksi gas berbahaya.
Pengantar
Nitrogen oksida dan sulfur dioksida banyak digunakan dalam produksi industri. Misalnya, nitric oxide (NO) dapat digunakan sebagai sumber nitrogen untuk proses doping di industri semikonduktor, dan sulfur dioksida (SO2 ) dapat digunakan untuk mencegah anggur dari kerusakan [1]. Namun, gas-gas ini tidak hanya berbahaya tetapi juga dapat menyebabkan masalah lingkungan yang serius, seperti hujan asam atau kabut asap fotokimia [2, 3]. Hal ini diperlukan untuk memantau kebocoran gas-gas ini dalam aplikasi industri. Di antara penelitian sebelumnya, sensor gas oksida logam telah dipelajari secara luas, tetapi memiliki kelemahan ketidakstabilan dan kondisi kerja yang terbatas [4]. Oleh karena itu, sangat penting untuk menemukan bahan baru untuk mendeteksi gas-gas ini [5]. Untuk mendeteksi molekul gas secara efektif, bahan harus memiliki rasio volume permukaan yang besar dan gaya ikat yang cukup untuk mengadsorbsi molekul gas [6, 7]. Penemuan sifat penginderaan graphene dan gas langka [8] telah memotivasi para peneliti untuk menaruh perhatian mereka pada material 2D [9, 10].
Di antara bahan 2D, disulfida logam transisi (TMDs) telah menarik banyak perhatian di daerah penginderaan gas karena sifat semikonduktor yang stabil dan mobilitas pembawa yang tepat [11,12,13]. Terutama sebagai jenis TMD yang khas, WS2 memiliki berbagai sifat unik untuk bahan penginderaan [14, 15], seperti stabilitas termal yang sangat baik, struktur pita merdu [16, 17], dan biaya rendah. Namun, WS 2D murni2 sebagai elemen sensitif memiliki beberapa kelemahan, seperti adsorpsi yang lemah dengan gas target, yang tidak dapat menangkap molekul gas secara efektif [18]. Dalam hal ini, doping banyak digunakan pada bahan 2D untuk menyesuaikan sifat permukaan dan gaya ikat antara bahan dan molekul gas serta meningkatkan kemampuan adsorpsi dan penginderaan gas [19, 20]. Tentu saja, dopan yang berbeda memiliki efek yang berbeda pada kinerja penginderaan. Oleh karena itu, substrat sensitif yang didoping harus menemukan pengotor yang sesuai untuk meningkatkan kinerja penginderaannya. Misalnya, WS yang didoping Pd2 telah menunjukkan peningkatan mereka atas rekan-rekan murni mereka dalam penginderaan gas [6, 21]. Sayangnya, sebagian besar penelitian sebelumnya tentang WS yang didoping2 sebagai elemen sensitif hanya berfokus pada kekuatan pengikatan dan transfer muatan antara molekul gas dan film lapisan tunggal. Selektivitas adsorpsi gas dan pengaruh konsentrasi doping sering diabaikan. Dalam karya ini, kami secara komprehensif mengeksplorasi tidak hanya kekuatan pengikatan dan transfer muatan, tetapi juga selektivitas adsorpsi terhadap gas target dan pengaruh konsentrasi doping.
Di sini, mengingat atom Al dan P memiliki jari-jari kovalen yang dekat dan struktur elektronik yang mirip dengan atom S, lebih mudah bagi mereka untuk mengganti atom S dan membentuk struktur kovalen yang stabil. Banyak penelitian sebelumnya telah menyelidiki bahan dengan doping substitusi atom S [22,23,24,25]. Oleh karena itu, karya ini mengeksplorasi kinerja penginderaan WS yang didoping Al dan P2 dengan bantuan DFT. Sifat penginderaan dari sistem yang didoping dengan yang tidak didoping dibandingkan dalam hal energi ikat, struktur pita, dan densitas keadaan. Ini membuktikan bahwa WS2 didoping dengan atom Al atau P memiliki keunggulan nyata dibandingkan WS murni2 dalam mendeteksi gas-gas tersebut. Selain TIDAK, TIDAK2 , dan SO2 , kami menganggap CO2 dan H2 O sebagai gas gangguan untuk memeriksa selektivitas substrat yang didoping terhadap gas target. Dua konsentrasi doping, 3,7% dan 7,4%, dipertimbangkan untuk memperkirakan pengaruhnya terhadap sensitivitas terhadap gas. Karya ini memberikan wawasan yang komprehensif untuk memilih dopan (konsentrasi) yang sesuai ke dalam bahan 2D untuk mendeteksi gas berbahaya.
Metode
Dalam karya ini, semua perhitungan prinsip pertama didasarkan pada DFT [26, 27]. Pendekatan kepadatan lokal (LDA) dengan fungsi PWC dipilih untuk mengatasi pertukaran elektron dan korelasi. Untuk mengurangi beban komputasi, kernel (DFT semi-core pseudopots) digantikan oleh satu potensi efektif. Basis orbital numerik ganda dan fungsi polarisasi orbital (DNP) dipilih. Radius batas orbit global ditetapkan sebagai 4,9 Å untuk memastikan akurasi yang cukup. K-point Monkhorst-Pack ditetapkan sebagai 4 × 4 × 1 setelah uji konvergensi, dengan lapisan vakum 13,4 Å untuk menghindari interaksi antara unit yang berdekatan. Ketepatan konvergensi energi untuk geometri adalah 1,0 × 10
−5
Hartree, sedangkan perpindahan maksimum adalah 0,005 Å, dan gaya maksimum adalah 0,002 Hartree/Å.
Sebuah supercell 3 × 3 × 1 yang mengandung atom 9 W dan atom 18 S didirikan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Untuk model WS yang didoping2 , atom S digantikan oleh atom P atau Al [28], seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b-d. Kemudian diberikan optimasi geometri. Setelah itu, molekul gas diatur di atas WS2 pesawat untuk membangun model adsorpsi gas. Tiga situs untuk molekul gas teradsorpsi dipilih. Mereka adalah bagian atas atom S atau dopan (I), bagian atas titik tengah ikatan antara atom yang didoping dan atom W atau S (II), dan pusat struktur segi enam (III), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a-c. Setelah optimasi geometri untuk setiap sistem adsorpsi, konstruksi geometrik dengan adsorpsi gas paling stabil ditemukan. Energi ikat (Emengikat ) dapat mencerminkan interaksi antara material dan molekul gas yang teradsorpsi dan dihitung dengan fungsi berikut:
$$ {E}_{bind}={E}_{tot}-{E}_m-{E}_{gas} $$ (1)
Model supersel 4 × 4 × 1 dari a WS asli2 , b WS yang didoping al2 , dan c WS yang didoping-P2 dengan tiga situs adsorpsi ditandai. Dan model d TIDAK, e TIDAK2 , dan f JADI2 molekul. Bola kuning, biru muda, merah tua, ungu, biru, dan merah masing-masing mewakili S, W, Al, P, N, dan O
dimana Em mewakili energi material tanpa menyerap molekul gas, Etot mewakili energi total material dan molekul gas, dan Egas mewakili energi dari molekul gas yang terisolasi [29]. Nilai absolut yang lebih besar dari Emengikat mewakili gaya interaksi yang lebih kuat antara material dan molekul gas.
Energi formasi (Efm ), yang dapat mencerminkan kesulitan untuk membentuk sistem doping, dan stabilitas sistem dihitung dengan fungsi di bawah ini:
dimana Es adalah energi total atom S tersubstitusi, dan Edopan mewakili energi total atom dopan. Nilai E . yang lebih signifikan fm berarti lebih sulit untuk membentuk sistem dopan.
Hasil dan Diskusi
Posisi adsorpsi telah ditunjukkan pada Gambar. 1a-c, yang sesuai dengan WS murni, doping Al, dan doping P2 , masing-masing. Pada Gambar 1,d–f panjang ikatan N–O, N=O, dan S=O berturut-turut adalah 1,16 Å, 1,21 Å, dan 1,46 Å. Panjang ikatan W–S, Al–W, dan P–W masing-masing sekitar 2,43 Å, 2,86 Å, dan 2,45. Setelah optimasi geometrik, situs yang secara energetik menguntungkan untuk setiap adsorbat telah digunakan dalam diskusi selanjutnya. Energi ikat dari 3,7% P- dan WS yang didoping Al2 sistem di situs yang menguntungkan secara energetik ditunjukkan pada Tabel 1. Energi ikat WS murni2 sistem ditunjukkan pada Tabel S1. Kemudian, menurut hasil energi ikat, interaksi antara molekul gas dan WS murni2 sangat lemah sehingga sulit bagi bahan substrat untuk mengadsorbsi molekul gas secara stabil. Energi ikat WS NO-murni2 sistem bahkan positif. Namun, pengenalan dopan dapat secara signifikan meningkatkan kekuatan adsorpsi antara gas dan WS2 , terutama untuk WS2 didoping oleh atom Al. Di antara semua kasus doping, kekuatan adsorpsi adalah yang terkecil, sedangkan SO2 teradsorpsi pada P–WS2 . Selain Al dan P, unsur-unsur lain dalam periode atau famili yang sama dengan S, seperti O, Si, Cl, atau Se, juga dipertimbangkan. Kasus WS tersubstitusi-W yang didoping Fe2 ditunjukkan pada Gambar. S1, sedangkan WS2 sistem dengan dopan ini memiliki stabilitas yang buruk (E . tinggi fm ) atau interaksi lemah dengan molekul gas. Mempertimbangkan ini, dopan ini tidak terlibat dalam penelitian selanjutnya. Situs yang secara energetik menguntungkan (energi ikat negatif terendah) dari NO, NO2 , dan SO2 molekul teradsorpsi pada WS yang didoping2 ditunjukkan pada Gambar. S2, S3, dan S4, masing-masing.
Struktur pita WS monolayer murni dan yang didoping Al dan P2 disajikan pada Gambar. 2. Hasil proyektif kepadatan negara (PDOS) ditunjukkan pada Gambar. S5. Monolayer 2H WS2 adalah semikonduktor dengan celah pita langsung pada titik . Untuk WS2 didoping dengan atom Al, pengotor memperkenalkan status antarmuka ke wilayah celah pita monolayer 2H WS2 . Terlebih lagi, keberadaan atom logam membentuk penghalang Schottky dengan tingkat Fermi disematkan di wilayah permukaan semikonduktor. Posisi pinning berada dalam 0.2 eV ke tingkat Fermi dari semikonduktor pertama [5]. Sifat logam dibawa oleh dopan logam [30]. Pada saat yang sama, atom P memasukkan pita energi yang bercampur dengan pita konduksi dan valensi WS2 . Struktur pita WS yang didoping2 setelah adsorpsi gas ditunjukkan pada Gambar. S6. Akibatnya, dalam kasus NO pada Al-doped WS2 , TIDAK pada WS yang didoping-P2 , dan SO2 pada WS yang didoping Al2 , lebar celah pita material memiliki perubahan nyata setelah molekul gas teradsorpsi. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa celah pita yang menyempit berarti stabilitas kinetik yang lebih rendah, aktivitas kimia yang lebih tinggi, dan transisi elektron yang lebih alami dari pita valensi ke pita konduksi [31, 32]. Jadi, setelah adsorpsi gas, perubahan celah pita yang jelas dari bahan yang didoping memungkinkan mereka menjadi substrat yang sensitif untuk mendeteksi keberadaan molekul gas.
Struktur pita a WS asli2 , b WS yang didoping al2 , dan c WS yang didoping-P2
Berdasarkan transfer muatan antara molekul gas dan bahan substrat, pendeteksian gas dapat diselesaikan oleh sensor gas. Menurut teori transfer muatan tradisional, mekanisme proses transfer muatan antara gas dan WS2 ditunjukkan pada Gambar. 3. LUMO adalah orbital molekul kosong terendah, sedangkan HOMO adalah orbital molekul terisi tertinggi. Ef adalah tingkat Fermi substrat. Jika Ef antara LUMO dan HOMO, tidak akan ada transfer biaya menurut teori tradisional. Kemudian, Zhou dkk. menambahkan bahwa mekanisme transfer muatan akan ditentukan oleh pencampuran orbital LUMO dan HOMO dengan bahan substrat jika Ef terletak antara LUMO dan HOMO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a [5]. Jika LUMO lebih rendah dari level Fermi WS2 , elektron akan mengalir dari WS2 untuk molekul gas ditunjukkan pada Gambar. 3b [7]. Setelah mencapai keadaan keseimbangan, Ef sistem adsorpsinya sama dengan LUMO. Sebaliknya, jika HOMO lebih tinggi dari level Fermi WS2 , elektron akan mengalir dari molekul gas ke WS2 ditunjukkan pada Gambar. 3c [5]. Ef sistem adsorpsi sama dengan LUMO di bawah keadaan setimbang. Isosurface LUMO dan HOMO dari NO, NO2 , dan SO2 orbital molekul ditunjukkan pada Gambar. 4,a-c masing-masing. Energi LUMO dan HOMO dan Ef dari WS2 disajikan pada Tabel S2. Menurut tabel, Ef terletak antara LUMO dan HOMO dalam sistem adsorpsi yang didoping Al dan P. Oleh karena itu, perlu untuk mengeksplorasi percampuran orbital antara LUMO dan HOMO molekul gas dan bahan substrat.
Diagram skema mekanisme transfer biaya
LUMO dan HOMO orbital molekul a TIDAK, b TIDAK2 , dan c JADI2
DOS digunakan untuk membahas lebih lanjut distribusi elektron dan pencampuran orbital dalam sistem adsorpsi, yang bergantung pada interaksi antara gas dan substrat. Gambar 5 menyajikan DOS gas, dopan, atom S, dan W. Garis hitam dan merah masing-masing adalah kurva DOS dari gas dan dopan. Dan garis biru dan zaitun masing-masing adalah garis atom S dan W. Setelah adsorpsi gas, karena interaksi orbital, redistribusi elektron terjadi di seluruh sistem, yang akan menyebabkan tumpang tindih puncak DOS antara bahan gas dan substrat. Tumpang tindih puncak DOS berarti pencampuran antara orbital molekul, membuktikan adanya interaksi antara gas dan bahan penginderaan [33]. Pencampuran orbital molekul sangat membantu dalam transfer muatan sehingga dapat meningkatkan interaksi adsorpsi antara permukaan gas dan material [34,35,36]. Oleh karena itu, pencampuran antara orbital molekul dibandingkan untuk mengevaluasi efek adsorpsi molekul gas. Pada Gambar 5a, pencampuran orbital antara molekul NO dan atom Al berada pada 12,62 dan 8,11 eV. Dan pencampuran orbital antara molekul NO dan atom Al, S, dan W berada pada 2,02 eV. Pada Gambar 5b, pencampuran orbital antara NO2 molekul dan atom Al berada pada 19.60, 11.60, dan 8.44 eV. Dan pencampuran orbital antara NO2 molekul dan atom Al, S, dan W berada pada 0 eV. Pada Gambar 5c, pencampuran orbital antara SO2 molekul dan atom Al berada pada 12.09 eV. Pencampuran orbital antara SO2 molekul dan atom Al dan S berada pada 8.27 eV. Pencampuran orbital antara SO2 molekul dan atom Al, S, dan W berada pada 1,75 eV. Pada Gambar 5d, campuran orbital antara molekul NO dan atom P berada pada 12,21 eV. Dan pencampuran orbital antara molekul NO dan atom P, S, dan W berada pada 10 eV. Pada Gambar 5e, campuran orbital antara NO2 molekul dan atom P berada pada 12,63 eV. Dan pencampuran orbital antara NO2 molekul dan atom P, S, dan W berada pada 9,66 dan 5,51 eV. Pada Gambar 5f, pencampuran orbital antara SO2 molekul dan atom S berada di 9,25 eV. Dari hasil di atas, dapat ditemukan bahwa adanya pengotor menghasilkan pencampuran orbital yang lebih banyak. Selain itu, pencampuran orbital dalam sistem dengan doping atom Al lebih banyak daripada sistem dengan doping atom P, menunjukkan interaksi yang lebih kuat antara molekul gas dan substrat dalam sistem yang didoping Al yang sesuai dengan hasil energi binging. Singkatnya, pengenalan pengotor dapat memberikan puncak yang lebih aktif di seluruh pita, sehingga meningkatkan kemungkinan pencampuran orbital antara substrat dan molekul gas.
DOS dari a atom NO, Al, S, dan W; b TIDAK2 atom , Al, S, dan W; c JADI2 atom , Al, S, dan W; d atom NO, P, S, dan W; e TIDAK2 , P, S, dan atom W; dan f JADI2 , P, S, dan atom W
Untuk mengevaluasi lebih lanjut potensi penginderaan dari WS yang didoping Al dan P2 , CO2 dan H2 O juga dipertimbangkan untuk menguji selektivitas WS yang didoping Al dan P2 untuk menargetkan gas. Mirip dengan TIDAK, TIDAK2 , atau SO2 adsorpsi, situs adsorpsi paling stabil di antara tiga situs dengan simetri geometris tinggi di WS2 ditunjukkan pada Gambar. S7 (a), (b), (c) dan (d). Hasil energi ikat disajikan pada Tabel S3, dan hasil struktur pita ditunjukkan pada Gambar. S7(e), (f), (g) dan (h). Panjang ikatan C=O dalam CO terisolasi2 dan O–H dalam H2 isolated yang terisolasi O adalah 1,175 Å dan 0,971 Å, masing-masing. Mereka tidak banyak berubah setelah gas teradsorpsi pada WS yang didoping2 kecuali H2 O teradsorpsi pada Al-WS2 . Itu menunjukkan interaksi antara H2 O molekul dan WS yang didoping Al2 adalah yang terkuat. Berdasarkan Tabel 2, energi ikat yang dihitung dari H2 O di Al-WS2 adalah − 1,69 eV.
Semua hasil ini menunjukkan kemungkinan bahwa WS yang didoping Al2 akan memiliki selektivitas yang buruk untuk menargetkan gas di bawah keberadaan H2 O. Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut hal ini, analisis DOS dilakukan, ditunjukkan pada Gambar. 6. Untuk Gambar. 6b, dalam kelompok H2 O di Al-WS2 , tumpang tindih puncak DOS antara bahan gas dan substrat di dekat Ef (0 eV) jauh lebih jelas daripada tiga lainnya. Itu membuktikan interaksi yang kuat dan lebih banyak kemungkinan transfer muatan antara H2 molekul O dan Al-WS2 . Selain itu, lebih banyak pencampuran orbital antara H2 Molekul O dan atom Al dapat ditemukan, yang memberikan lebih banyak bukti untuk interaksi tersebut. Dari sini, kita dapat menyimpulkan bahwa WS yang didoping Al2 sebagai bahan penginderaan akan mudah terpengaruh oleh H2 O. Energi ikat adalah 0,18 dan 0,27 eV dengan CO2 dan H2 O mengadsorbsi pada WS yang didoping-P2 , masing-masing. Hasil ini lebih kecil dari energi ikat NO (− 0.87 eV) dan NO2 (− 1.27 eV) tetapi sangat dekat dengan energi ikat SO2 (− 0.29 eV) pada WS yang didoping-P2 . Pada Gambar 6c, pencampuran orbital antara CO2 molekul dan atom P berada pada 12,63 dan 9,66 eV. Pada Gambar 6d, campuran orbital antara H2 Molekul O dan atom S berada pada 9,25 eV. Oleh karena itu, sensitivitas WS yang didoping-P2 ke SO2 mudah dipengaruhi dengan adanya CO2 atau H2 O ketika energi ikat dan pencampuran orbital dipertimbangkan secara bersamaan.
DOS dari a CO2 atom , Al, S, dan W; b H2 atom O, Al, S, dan W; c CO2 , P, S, dan atom W; dan d H2 atom O, P, S, dan W
Doping atom tunggal (konsentrasi doping 3,7%) dibahas pada bagian di atas. Mempertimbangkan bahwa konsentrasi doping yang berbeda berdampak pada kinerja penginderaan, kasus doping diatomik (konsentrasi doping 7,4%) juga dibahas dalam 3 × 3 WS2 model. Atom S masih digantikan oleh atom doping. Ada empat situasi untuk lokasi doping yang ditunjukkan pada Gambar. S8. Untuk WS yang didoping Al2 , masing-masing diberi nama 2Al-1, 2Al-2, 2Al-3, dan 2Al-4. Untuk WS yang didoping-P2 , mereka diberi nama masing-masing sebagai 2P-1, 2P-2, 2P-3, dan 2P-4. Kemudian, energi formasi dari masing-masing sistem doping dihitung untuk mengevaluasi tingkat kesulitan pembentukan struktur tersebut. Semakin rendah energi pembentukannya, semakin mudah pembentukan konfigurasinya. Hasil pembentukan energi ditunjukkan pada Tabel S4. Struktur 2Al-1 dipilih karena memiliki energi formasi paling rendah di antara keempat kasus tersebut. Demikian pula, 2P-1 dan 2P-3 keduanya dipilih karena memiliki energi formasi yang berdekatan.
Menurut hasil struktur pita (Gbr. S6), WS yang didoping Al2 memiliki kinerja adsorpsi yang sangat baik untuk NO dan SO2 daripada TIDAK2 ketika konsentrasi doping adalah 3,7%. Dan WS yang didoping-P2 memiliki kinerja adsorpsi yang unggul terhadap NO daripada NO2 dan SO2 . Oleh karena itu, untuk WS yang didoping Al2 , hanya NO dan SO2 dipertimbangkan ketika konsentrasi doping adalah 7,4%. Untuk WS yang didoping-P2 , hanya NO yang dipertimbangkan. Berdasarkan ini, pengaruh konsentrasi doping pada kinerja adsorpsi dieksplorasi. Struktur adsorpsi yang paling stabil ditunjukkan pada Gambar. S9 dan menunjukkan hasil energi ikat ditunjukkan pada Tabel S5. DOS dari sistem ini disajikan pada Gambar. 7. Pada Gambar. 7a, pencampuran orbital antara molekul NO dan atom Al berada pada 6,51, 3,25, dan 0,75 eV, masing-masing. Pencampuran orbital antara molekul NO dan S, serta atom W, berada pada 1,78 eV. Pada Gambar 7b, pencampuran orbital antara SO2 molekul dan atom S berada di 19,69 eV. Pencampuran orbital antara SO2 molekul dan S, serta atom Al, berada di 10,91 eV. Pada Gambar 7c, pencampuran orbital antara molekul NO dan atom P berada pada 7.67 eV. Pencampuran orbital berada pada 0.86 eV antara molekul NO dan atom P serta W. Pencampuran orbital berada pada 2.39 eV antara molekul NO dan atom P, S, serta W. Pada Gambar 7d, pencampuran orbital antara molekul NO dan atom W masing-masing berada pada 12,55 dan 0,76 eV. Membandingkan Gambar 7a dengan Gambar 5a, dapat diamati bahwa pencampuran orbital dan energi pengikatan diperkuat, yang menunjukkan konsentrasi doping Al 7,4% menginduksi kinerja adsorpsi NO yang lebih besar daripada 3,7%. Membandingkan Gambar 7b dengan Gambar 5c, pencampuran orbital dan energi ikat melemah, menunjukkan konsentrasi doping Al 7,4% menyebabkan SO2 yang lebih buruk kinerja adsorpsi dari 3,7%. Dan energi ikat negatif dari sistem 2P-1 lebih rendah dari 2P-3, menurut Tabel S5. Oleh karena itu, kinerja adsorpsi sistem 2P-3 lebih buruk daripada sistem 2P-1, dari perspektif energi ikat dan pencampuran orbital, kemudian, membandingkan struktur 2P-1 dengan Gambar 5d. Membandingkan Gambar 7c dengan Gambar 5d, pencampuran orbital dan energi pengikatan diperkuat dan yang menunjukkan konsentrasi doping-P 7,4% dapat menghasilkan kinerja adsorpsi NO yang lebih baik daripada 3,7%. Singkatnya, dapat diamati bahwa pengaruh konsentrasi doping yang berbeda pada kinerja penginderaan WS yang didoping-P2 kurang dari WS yang didoping Al2 .
DOS dari a atom NO, 2Al-1, S, dan W; b JADI2 , 2Al-1, S, dan atom W; c atom NO, 2P-1, S, dan W; dan d NO, 2P-3, S, dan atom W. e Energi ikat dari semua sistem adsorpsi
Di sisi lain, energi ikat dari semua sistem adsorpsi ditunjukkan dalam bentuk grafik kolumnar pada Gambar. 7e. Menurut Gambar 7e, kedua konsentrasi doping 3,7% dan 7,4% dapat meningkatkan kekuatan adsorpsi sistem dibandingkan dengan WS murni2 sistem. Untuk sistem yang didoping dengan dua atom P, doping 7,4% meningkatkan kekuatan adsorpsi lebih dari 3,7% doping, terutama untuk penyerapan gas NO. Untuk sistem yang didoping dengan dua atom Al, kekuatan adsorpsi ke gas NO meningkat. Sedangkan kekuatan adsorpsi terhadap SO2 atau TIDAK2 menurun, dan dalam kasus dengan SO2 menurun lebih banyak daripada kasus dengan NO2 . Secara keseluruhan, peningkatan konsentrasi doping memiliki pengaruh yang lebih besar terhadap kekuatan adsorpsi sistem yang didoping Al daripada yang didoping P.
Kesimpulan
Dalam karya ini, dengan menggunakan prinsip pertama, perhitungan teoretis dilakukan untuk mengevaluasi pengaruh dopan Al dan P dan konsentrasi dopingnya terhadap kinerja sensitif WS2 menuju TIDAK, TIDAK2 , dan SO2 molekul. Pekerjaan ini juga mengeksplorasi selektivitas terhadap gas target dengan adanya CO2 dan H2 O gas. Untuk struktur pita setelah adsorpsi gas, perubahan celah pita dan level rendah di dekat level Fermi berarti WS yang didoping2 memiliki potensi besar untuk digunakan sebagai sensor gas tipe resistensi terhadap NO atau SO2 . Menurut hasil energi ikat, WS yang didoping Al dan P2 memiliki energi ikat negatif yang lebih rendah ke molekul gas daripada WS murni2 , menunjukkan peningkatan kekuatan adsorpsi karena adanya pengotor. DOS menunjukkan bahwa pengotor dapat menghasilkan lebih banyak puncak yang diaktifkan dan secara signifikan merangsang pencampuran orbital antara gas dan substrat untuk meningkatkan sensitivitas bahan substrat. Oleh karena itu, ada lebih banyak transfer muatan dan interaksi pengikatan yang lebih kuat antara molekul gas dan WS yang didoping2 bahan. Selain itu, sensitivitas WS yang didoping-P2 menjadi TIDAK dan TIDAK2 hampir tidak mungkin terpengaruh oleh CO2 dan H2 O, sedangkan untuk SO2 akan berubah dengan adanya CO2 atau H2 O. Sensitivitas WS yang didoping Al2 ke NO mudah terpengaruh oleh H2 O tapi sulit dipengaruhi oleh CO2 . Namun, sensitivitas WS yang didoping Al2 ke TIDAK2 dan SO2 sulit dipengaruhi oleh CO2 dan H2 O. Untuk deteksi NO, WS yang didoping Al dan P2 dengan konsentrasi dopan 7,4% memiliki sifat sensitif yang lebih baik dibandingkan dengan konsentrasi dopan 3,7%. Sedangkan untuk SO2 penginderaan, Al-doped WS2 dengan konsentrasi dopan 7,4% memiliki kinerja responsif pelemahan yang lebih nyata dibandingkan dengan konsentrasi dopan 3,7%. Pengaruh konsentrasi doping terhadap kinerja penginderaan WS yang didoping-P2 lebih kecil dari WS yang didoping Al2 . Oleh karena itu, perhitungan komprehensif kami dapat memberikan bahan dua dimensi yang didoping dengan referensi berharga untuk merasakan gas berbahaya.
