SO2ガス分子を検出するためのガスセンサーへのBAの潜在的応用：DFT研究

要約

さまざまな大気ガス分子（例：N ₂ 、O ₂ 、CO ₂ 、H ₂ O、CO、NO、NO ₂ 、NH ₃ 、およびSO ₂ ）密度汎関数理論計算により、元の六角形のホウ素ヒ素（BA）に吸収されます。各ガス分子について、さまざまな吸着位置が考慮されました。最も安定した吸着は、位置、吸着エネルギー、電荷移動、および仕事関数に依存していました。 SO ₂ ガス分子は、最高の吸着エネルギー、大気中のガス分子内のBA表面の最短距離、および一定量の電荷移動を持っていました。仕事関数の計算は、電子的および光学的特性を調整する可能性を探求するために重要でした。 BAの材料が提示された結果は、SO ₂の潜在的なガスセンサーになる可能性があります。高い感度と選択性を備えています。

はじめに

BA（六角形のホウ素ヒ素）は、III族とV族の元素で構成されています。 III–Vエレメントのグループは、優れた光電特性、機械的特性、大きなバンドギャップなどの優れた特性を備えています[1]。 2D材料の有望な潜在的用途[2,3,4,5]は、最近の研究[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]で十分に文書化されています。、20];これらの材料は、さまざまな生体分子[21、22]、汚染物質[23、24]、およびガス分子[25、26]を認識して、適切なセンシングデバイスを開発するために使用されていました。 BN、AlN、GaN、GaAs、BPなどのIII-V元素材料のグループがますます見つかり、理論計算によるガス分子の研究も増えています。 Strak etal。 [27]は、AlN（0001）がアンモニアの高圧高温合成のための強力な触媒であることを発見し、この研究により、AlN（0001）表面でのアンモニアの効率的な合成の可能性も確認されました。 Diao etal。 [28]はH ₂の吸着を示しました O、CO ₂ 、CO、H ₂ 、およびN ₂ 手付かずのZnドープGaAsナノワイヤの（10–10）表面。 CO ₂の吸着の影響およびN ₂ 吸収係数が最大でした。チェンら。 [29]は、第一原理研究によって純粋なBPおよびドープされたBPへのほとんどのガス分子の吸着を示し、N-BPがSO ₂のガスセンサーとしてより適していると結論付けました。、NO、およびNO ₂ 脱着プロセスの存在による。 KamarajとVenkatesan [30]は、DFTとLDAによってBAの構造と電子特性を研究しました。 BAの実験的合成と理論的研究はかなりの進歩を遂げましたが、BAナノシートの結果は、システムにナノエレクトロニクスと太陽光発電の有望なアプリケーションをもたらしました。

この作業では、密度汎関数理論（DFT）計算により、ガスセンサーとしてのBAの可能性を十分に活用するために、最初にガス検知特性を調査しました。大気ガス（CO ₂など）の吸着特性を予測しました、O ₂ 、N ₂ 、H ₂ O、NO、NO ₂ 、NH ₃ 、CO、およびSO ₂ ）第一原理計算に基づくBAについて。私たちの研究は、SO ₂の見かけの吸着挙動、適度な電荷移動、および独自の透過特性を実証しました。 BAへの吸着。結果は、単層BAがSO ₂に対して大きな可能性を持っていることを示唆しました。センシングアプリケーション。

シミュレーションの理論と方法

このシステムは、BAとそれに吸着された大気ガス分子の4×4スーパーセルとしてモデル化されました。 DMol ³ で [31]計算プロセスでは、交換相関派閥は、Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）[32]を使用した一般勾配近似（GGA）内で計算されました。ブリュアンゾーンは、5×5×1のMonkhorst-Packkポイントグリッドと0.01RyのMethfessel-Paxtonスミアリングを使用してサンプリングされました。全エネルギーとヘルマン-ファインマン力が1.0×10 ^-5 に収束するまで、すべての原子構造が緩和されました。 eVおよび0.06eV /Å[33]。

ガス分子と吸着シート表面の相互作用を評価するために、吸着エネルギー（ E ）を計算しました。 _ad ）次のように定義された吸着システムの：

$$ {E} _ {\ mathrm {ad}} ={E} _ {\ mathrm {BAs} + \ mathrm {gas} \ mathrm {molecule}}-\ left（{E} _ {\ mathrm {BAs} } + {E} _ {\ mathrm {gas} \ \ mathrm {molecule}} \ right）$$

ここで E _{BAs +ガス分子} BA吸着システムの総エネルギー E _BA はBAのエネルギーであり、 E _ガス分子はガス分子のエネルギーです。すべてのエネルギーは、最適化された原子構造に対して計算されました。電荷移動は、マリケンの人口分析によって調査されました。

結果と考察

この作業では、図1aに示すように、ホウ素原子の上部（B）、ヒ素原子の上部（As）、および六角形のB-Asの中心（中心）の3つの吸着サイトがBAに対して考慮されました。。大気の存在を調査し、最高のガスセンサーを見つけました。

まず、元のBA単分子層の幾何学的構造が最適化されており、図1bに示すように、BAの結合長は1.967Åでした。バルク構造よりも小さいBAsシートのバンド構造に示す1.381eVの間接バンドギャップがありました。これらの値は、以前に報告された値とよく一致していました（図2）[34、35]。

その間、吸着エネルギー、電荷移動、および分子とBA表面間の距離を分析しました。最終結果は表1のとおりでした。

<図>

N ₂ 吸着： N ₂の吸着 BA上のガス分子は、N ₂の3つの構成について研究されました。 / BA、つまりB原子の上面、As原子の上面、およびBA表面上の六角形リングの中心であり、最も近い距離は3.764Å、3.549Å、および3.65Åであり、対応する吸着エネルギーは-0.24 eV、-0.27でした。それぞれeV、および− 0.24eV。センターは最高の吸着エネルギーと最も安定した構造を持っていました。 N ₂の吸着エネルギー BAは-0.24eVで、BAからN ² への電荷移動です。ガス分子は0.014eで、N2-BAの距離は3.65Åでした。図3aは、フェルミ準位の下に多くの線があり、対応する状態密度がフェルミ準位の下にいくつかのピークを持っていることを示しています。図に示すように、N ₂ ガス分子には4つのピークがあり、主に-5から0 eVまでBAに一定の影響を及ぼし、DOSに大きく貢献しました。全体として、N ₂の効果 BAへのガス分子の吸着は不十分でした。

O ₂ 吸着： O ₂ ガス分子は中心点に吸着する傾向がありました。 O ₂の吸着エネルギー / BAsは− 0.35 eVであり、O ₂の距離は -BAは2.90Åでした。 O ₂の全バンド構造とDOS / BAは図3にプロットされています。余分な線がゼロ点を横切り、バンドギャップが減少していることは明らかでした。 O ₂ ガス分子は-1から0eVにピークがあり、フェルミ準位より上の状態密度に影響を及ぼしました。マリケン電荷移動の母集団分析は、-0.172eがBA表面からO ₂に移動したことを示しました。ガス分子、O ₂ ガス分子はアクセプターとして機能しました。一般的に、O ₂ BAへのガス分子の吸着はN ₂よりも優れていた。

CO ₂ 吸着： CO ₂ ガス分子はAs原子の上に吸着する傾向がありました。 CO ² の吸着エネルギー / BAsは-0.28eVで、BAからCO ² への電荷移動ガス分子は-0.018eで、CO ² の距離は -BAは3.55Åでした。図3に示すように、元のBAと比較して、構造に明らかな変化はなく、DOSには-9 eVのエネルギーの明らかな波頭がいくつかあり、これはDOSに大きく貢献しました。この点は、CO ₂の吸着も浮き彫りにしました。 BAによるガス分子。結果は、CO ₂に対するBAの吸着効果と感度を示した。ガス分子は一般的でした。

H ₂ O吸着： H ₂ Oガス分子はAs原子の上に吸着する傾向がありました。 H ² の吸着エネルギー O / BAは-0.38eVで、BAからH ² への電荷移動です。 Oガス分子は-0.03eであり、H ² の距離は O-BAは3.63Åでした。図3に示すように、元のBAと比較して構造に大きな変化はありませんでした。 Al-Gのフェルミ準位は明らかに増加し、価電子帯に移動しました。一般的に、H ₂ BAへのOガス分子の吸着は無視されました。

CO吸着： COガス分子はAs原子の上に吸着する傾向がありました。 CO / BAの吸着エネルギーは-0.27eV、BAからCOガス分子への電荷移動は-0.024e、CO-BAの距離は3.50Åでした。 BAs-COの総状態密度（DOS）とバンド構造を図3にプロットしました。COガス分子とAs原子は、DOSでの3〜4eVのピークの影響に大きな役割を果たしました。ただし、− 7〜4 eVの範囲でDOSに偏差はなく、COがBAに毎週吸着されていることが示唆されました。 −3から1eVおよび3eVのエネルギーの明らかな波頭があり、これはDOSに大きく貢献しました。 Mulliken電荷移動の母集団分析は、-0.024e電荷がBA表面からCOガス分子に移動したことを示し、COガス分子がアクセプターとして機能したことを示唆しました。全体として、BAに対するCOガス分子吸着の影響は特別ではありませんでした。

吸着なし： ガス分子はB原子の上部に吸着する傾向がありませんでした。 NO / BAの吸着エネルギーは-0.18eV、電荷移動はNOガス分子からBAへ-0.01e、NO-BAの距離は2.86Åでした。フェルミ準位にはたくさんの線がありました。中間バンドのエネルギーギャップがバンドギャップ値を減少させることがわかりました。状態の密度図から、フェルミエネルギーレベルより上に余分な波のピークがありましたが、フェルミエネルギーレベルの下ではほとんど変化がなく、図3では比較的安定しています。軌道の混合により、相互作用全体で小さな電荷移動と再分布が発生しました。領域。マリケン電荷移動の母集団分析は、0.01eの電荷がBAの表面からNO分子に移動したことを示し、NOがドナーとして機能したことを示唆しています。 − 7〜4 eVの範囲でDOSに偏差はありませんでした。これは、NOが毎週BAに吸着されたことを示唆しています。

いいえ ₂ 吸着： NO ₂ ガス分子はAs原子の上に吸着する傾向がありました。 NO ₂の吸着エネルギー / BAsは− 0.43 eVであり、NO ₂の距離は -BAは2.47Åでした。興味深いのは、NO ₂の吸着直後に、バンドのゼロ点が直線と交差したことです。ガス分子。これは、半導体であるBAが金の属性に変換されたことを意味します。バンドギャップは0eVでした。全体に大きな変化はなく、NO ₂により、約− 3eVにピークが発生しました。ガス分子吸着。 − 7eVと2eVのエネルギーの明らかな波頭があり、これはDOSに大きく貢献しました。一般的に、NO ₂の吸着 BAによるものは、上記のいくつかの分子のそれよりも優れていました。

NH ₃ 吸着： NH ₃ ガス分子はAs原子の上に吸着する傾向がありました。 NH ³ の吸着エネルギー / BAは-0.34eV、NH ³ からの電荷移動 BAまでのガス分子は0.007eで、NH ³ の距離は -BAは3.27Åでした。 NH ₃の吸着の明らかなピークがあったことを除いて、エネルギーバンドと状態密度に明確な変化はありませんでした。フェルミ準位以下のガス分子。 NH ₃ ガス分子は、-8〜-4 eVでBAにわずかな影響を与え、15eVのピークを形成しました。 NH ₃に対するBAの吸着効果と感度ガス分子は一般的でした。

SO ₂ 吸着： SO ₂ ガス分子は中心点、SO ₂の吸着エネルギーに吸着する傾向がありました / BAsは-0.92eVであり、マリケン電荷移動の母集団分析では、-0.179e電荷がBA表面からSO ₂に移動したことが示されました。ガス分子、SO ₂ ガス分子はアクセプターとして機能します。 SO ₂の距離 / BAsは2.46Åでした。他のガス分子と比較して、SO ₂ / BAは、最大の吸着エネルギー、2番目に大きい電子移動、およびSO ₂の最短距離を持っていました。 -BA。図3に示すように、BAの価電子帯は明らかに上昇し、バンドギャップは減少しました。これは、吸着されたSO ₂によるものです。ガス分子の場合、状態密度から、-7.5 eVにもう1つの波のピークがあり、フェルミ準位に特定の移動があることがわかります。 SO ₂の吸着 BAによる優れた効果がありました。

図4iは、SO ₂の電子密度図を示しています。 / BAsとBAsとSO ₂間の電子局所オーバーラップガス分子。これに基づいて、SO ₂の吸着という結論を導き出しました。 BAによる物理吸着でした。図5に示すWFの計算は、小分子を吸着することによって電子的および光学的特性（吸収スペクトルやエネルギー損失関数など）を調整する可能性を探る上で非常に重要でした。仕事関数は、固体物理学では、電子を固体の内部から物体の表面に移動させるために必要な最小エネルギーとして定義されました。手付かずのBAの仕事関数は4.84eVでした。 NOおよびNH ₃ ガス分子は電荷移動のドナーであり、それらの仕事関数は減少しました。仕事関数はそれぞれ4.80eVと4.68eVでした。 N ₂の仕事関数 / BA、CO ₂ / BA、CO / BAはBAと同じでした。 O ₂の仕事関数 / BA、NO ₂ / BA、およびSO ₂ / BAsはBAsよりも高かった。上記の吸着エネルギー、ガス分子とBA表面の距離、電荷移動、および仕事関数を組み合わせると、SO ₂ ガス分子はBA材料に最も適していました。

結論

吸着剤N ₂を使用したBAの構造的および電子的特性を示しました。、O ₂ 、CO ₂ 、H ₂ O、CO、NO、NO ₂ 、NH ₃ 、およびSO ₂ 密度汎関数理論法を使用したガス分子。吸着エネルギーでは、SO ₂> NO ₂> H ₂ O> O ₂> NH ₃> CO ₂> CO> N ₂> NOおよびSO ₂ 2 2 3 2 2 O 2 吸着距離で。 NO ₂ 最大の Q 仕事関数、おそらくそれは良好な電気的応答のために提案された材料によって検出される可能性があります。 SO ₂ ガス分子は、最高の吸着エネルギー、ガス分子とBA表面の最短距離、および一定量の電荷移動を持っていました。上記の吸着エネルギー、ガス分子とBA表面の距離、電荷移動、および仕事関数と組み合わせると、BAの電流および吸着による電流変化は強い異方性特性を示します。 SO ₂に対するそのような感度と選択性ガス分子の吸着により、BAは優れたガスセンサーとして望ましい候補になります。

略語

BA：: 六角形のヒ素ホウ素
DOS：: 状態密度
WF：: 仕事関数

二光子重合によるギャップサイズが100nm未満の高分解能周期構造のナノファブリケーション金ナノメッシュに基づく柔軟な透明電極

ナノマテリアル