home Tecnología de fabricación Equipo de fabricación
Manufactura industrial
Internet industrial de las cosas | Materiales industriales | Mantenimiento y reparación de equipos | Programación industrial |
home  MfgRobots >> Manufactura industrial >  >> Industrial materials >> Nanomateriales

La posible aplicación de BA para un sensor de gas para detectar moléculas de gas SO2:un estudio DFT

Resumen

Diferentes moléculas de gas atmosférico (p. Ej., N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 O, CO, NO, NO 2 , NH 3 y SO 2 ) se absorben en el prístino arseniuro de boro hexagonal (BA) a través de cálculos de la teoría funcional de la densidad. Para cada molécula de gas, se consideraron varias posiciones de adsorción. La adsorción más estable dependía de la posición, la energía de adsorción, la transferencia de carga y la función de trabajo. SO 2 Las moléculas de gas tenían la mejor energía de adsorción, la distancia más corta para la superficie de los BA en la molécula de gas atmosférico y una cierta cantidad de transferencia de carga. El cálculo de la función de trabajo fue importante para explorar las posibilidades de ajustar las propiedades electrónicas y ópticas. Nuestros resultados presentaron materiales BAs que pueden ser el sensor de gas potencial de SO 2 con alta sensibilidad y selectividad.

Introducción

Los BA (arseniuro de boro hexagonal) se componen de elementos de los grupos III y V. Los grupos de elementos III-V tienen excelentes propiedades, como excelentes propiedades fotoeléctricas, propiedades mecánicas y gran banda prohibida [1]. Las posibles aplicaciones prometedoras de los materiales 2D [2, 3, 4, 5] fueron bien documentadas en estudios recientes [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 , 20]; estos materiales se habían utilizado para reconocer diversas biomoléculas [21, 22], contaminantes [23, 24] y moléculas de gas [25, 26] para desarrollar dispositivos de detección adecuados. Cada vez habíamos encontrado más grupos de materiales de elementos III-V, por ejemplo, BN, AlN, GaN, GaAs y BP, y cada vez hay más estudios para las moléculas de gas por cálculo teórico. Strak y col. [27] descubrió que AlN (0001) era un poderoso catalizador para la síntesis de amoníaco a alta presión y alta temperatura, y el trabajo también confirmó la posibilidad de la síntesis eficiente de amoníaco en la superficie de AlN (0001). Diao y col. [28] presentó adsorción de H 2 O, CO 2 , CO, H 2 y N 2 en (10–10) superficies de nanocables de GaAs prístinos y dopados con Zn; el efecto de la adsorción de CO 2 y N 2 en coeficientes de absorción fue el mayor. Cheng y col. [29] mostró la adsorción de la mayoría de las moléculas de gas en BP pura y BP dopada mediante el primer estudio de principio y concluyó que N-BP era más adecuado como sensor de gas para SO 2 , NO y NO 2 debido a la existencia del proceso de desorción. Kamaraj y Venkatesan [30] estudiaron la estructura y las propiedades electrónicas de los BA mediante DFT y LDA; aunque se han logrado avances considerables en la síntesis experimental y el estudio teórico de los BA, los resultados de las nanohojas de BA dotaron al sistema de aplicaciones prometedoras en nanoelectrónica y energía fotovoltaica.

En este trabajo, investigamos en primer lugar las propiedades de detección de gas para aprovechar al máximo las posibilidades de los BA como sensores de gas mediante cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT). Predijimos las propiedades de adsorción de los gases atmosféricos (por ejemplo, CO 2 , O 2 , N 2 , H 2 O, NO, NO 2 , NH 3 , CO y SO 2 ) sobre BA basados ​​en cálculos del primer principio. Nuestro trabajo demostró el aparente comportamiento de adsorción, las transferencias de carga moderadas y las características de transmisión únicas de SO 2 adsorción en BA. Los resultados sugirieron que los BA monocapa poseían un gran potencial para SO 2 aplicación de detección.

Teoría y método de las simulaciones

El sistema se modeló como una supercélula de 4 × 4 de BA y moléculas de gas atmosférico adsorbidas en él. En DMol 3 [31] proceso de cálculo, las facciones de correlación de intercambio se calcularon dentro de un gradiente general aproximado (GGA) con el Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [32]. La zona de Brillouin se muestreó utilizando una cuadrícula de puntos k de Monkhorst-Pack de 5 × 5 × 1 y una extensión de Methfessel-Paxton de 0.01 Ry. Todas las estructuras atómicas se relajaron hasta que la energía total y la fuerza Hellmann-Feynman convergieron a 1.0 × 10 −5 eV y 0,06 eV / Å [33].

Para evaluar la interacción entre las moléculas de gas y la superficie de la hoja de adsorción, calculamos la energía de adsorción ( E anuncio ) de sistemas adsorbidos, que se definió como:

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

donde E BAs + molécula de gas es la energía total del sistema adsorbido en BA, E BA es la energía de los BA, y E molécula de gas es la energía de una molécula de gas. Todas las energías se calcularon para estructuras atómicas optimizadas. La transferencia de cargos fue investigada por el análisis de población de Mulliken.

Resultado y discusión

En este trabajo se consideraron tres sitios de adsorción para los BA, a saber, la parte superior de un átomo de boro (B), la parte superior de un átomo de arsénico (As) y el centro de un B-As hexagonal (centro), como se indica en la Figura 1a. . Estudiamos la presencia de la atmósfera y encontramos el mejor sensor de gas.

un Vista esquemática de los sitios principales y el sitio central en BA. b El DOS de los BA

En primer lugar, se ha optimizado la estructura geométrica de la monocapa de BAs prístina y, como se muestra en la Fig. 1b, la longitud de enlace de BAs era de 1.967 Å. Había una banda prohibida indirecta de 1,381 eV para exhibir en la estructura de banda de la hoja de BA, que era más pequeña que la de la estructura a granel. Estos valores concuerdan bien con los valores informados anteriormente (Fig. 2) [34, 35].

Las configuraciones de adsorción más favorables desde el punto de vista energético de las moléculas de gas:N 2 ( a ), O 2 ( b ), CO 2 ( c ), H 2 O ( d ), CO ( e ), NO ( f ), NO 2 ( g ), NH 3 ( h ) y SO 2 ( yo ) en BA monocapa

Mientras tanto, habíamos analizado la energía de adsorción, la transferencia de carga y la distancia entre las moléculas y la superficie de los BA. El resultado final fue el que se muestra en la Tabla 1.

N 2 adsorción: Adsorción de N 2 molécula de gas en BA se estudió para tres configuraciones de N 2 / BAs, a saber. el lado superior del átomo de B, el lado superior del átomo de As y el centro de un anillo hexagonal por encima de la superficie de BA, y la distancia más cercana fue de 3.764 Å, 3.549 Å y 3.65 Å y la energía de adsorción correspondiente fue - 0.24 eV, - 0.27 eV y - 0,24 eV, respectivamente. El centro tenía la mejor energía de adsorción y la estructura más estable. La energía de adsorción de N 2 BA fue - 0,24 eV, la transferencia de cargo de BA a N 2 La molécula de gas era de 0,014e y la distancia de los N2-BA era de 3,65 Å. La Fig. 3a mostró que había muchas líneas por debajo del nivel de energía de Fermi, y la densidad de estados correspondiente tenía varios picos por debajo del nivel de energía de Fermi. Como se muestra en la figura, el N 2 La molécula de gas tenía cuatro picos, que tenían cierta influencia en los BA, principalmente de - 5 a 0 eV, y tenían grandes contribuciones al DOS. En general, el efecto de N 2 La adsorción de moléculas de gas en BA fue deficiente.

Densidad de estados (DOS) de N 2 / BAs ( a ), O 2 / BAs ( b ), CO 2 / BAs ( c ), H 2 O / BA ( d ), CO / BA ( e ), NO / BA ( f ), NO 2 / BA ( g ), NH 3 / BAs ( h ) y SO 2 / BAs ( i )

O 2 adsorción: O 2 La molécula de gas tendía a adsorberse en el punto central. La energía de adsorción de O 2 / BAs fue - 0.35 eV, y la distancia del O 2 -BA fue de 2,90 Å. La estructura de banda total y DOS para O 2 / Los BA se trazaron en la Fig. 3. Era obvio que una línea adicional cruzaba el punto cero y reducía la banda prohibida; O 2 La molécula de gas tenía un pico de -1 a 0 eV y tenía un efecto sobre la densidad de estados por encima del nivel de Fermi. El análisis de población para la transferencia de carga de Mulliken mostró que - 0.172e se transfirió desde la superficie de BA al O 2 molécula de gas, lo que sugiere que O 2 La molécula de gas actuó como aceptor. En general, el O 2 la adsorción de moléculas de gas en BA fue mejor que N 2 .

CO 2 adsorción: CO 2 La molécula de gas tendía a adsorberse en la parte superior del átomo de As. La energía de adsorción de CO 2 / BA fue - 0,28 eV, la transferencia de cargo de BA a CO 2 molécula de gas era - 0.018e, y la distancia del CO 2 -BA fue de 3,55 Å. Como se muestra en la Fig. 3, en comparación con los BA prístinos, la estructura no tuvo cambios aparentes, y hubo algunas crestas de onda obvias de la energía de - 9 eV en DOS, que tuvieron grandes contribuciones al DOS. Este punto también destacó la adsorción de CO 2 Molécula de gas por BA. Los resultados mostraron que el efecto de adsorción y la sensibilidad de los BA al CO 2 molécula de gas eran generales.

H 2 Adsorción de O: H 2 La molécula de gas O tendió a adsorberse en la parte superior del átomo de As. La energía de adsorción de H 2 O / BA fue - 0.38 eV, la transferencia de cargo de BA a H 2 La molécula de gas O era - 0.03e, y la distancia del H 2 Los O-BA eran 3,63 Å. Como se muestra en la Fig. 3, no hubo grandes cambios en la estructura en comparación con los AB prístinos. El nivel de Fermi de Al-G aumentó obviamente y se trasladó a la banda de valencia. En general, el H 2 Se ignoró la adsorción de moléculas de gas O en BA.

Adsorción de CO: La molécula de gas CO tendía a adsorberse en la parte superior del átomo de As. La energía de adsorción de CO / BA fue de - 0,27 eV, la transferencia de carga de los BA a la molécula de gas de CO fue de - 0,024e y la distancia de los CO-BA fue de 3,50 Å. La densidad total de estados (DOS) y la estructura de bandas para BAs-CO se trazaron en la Fig. 3. La molécula de gas CO y el átomo de As jugaron un papel muy importante en el efecto de un pico de 3 a 4 eV en el DOS. Sin embargo, no hubo desviación en el DOS en el rango de -7 a 4 eV, lo que sugirió que el CO se adsorbía semanalmente en los BA. Hubo una cresta de onda obvia de la energía de - 3 a 1 eV y 3 eV, que tuvo grandes contribuciones al DOS. El análisis de población para la transferencia de carga de Mulliken mostró que la carga de 0,024e se transfirió desde la superficie de los BA a la molécula de gas CO, y sugirió que la molécula de gas CO actuaba como aceptor. En general, el efecto de la adsorción de moléculas de gas CO sobre los BA no fue especial.

SIN adsorción: NO la molécula de gas tendía a adsorberse en la parte superior del átomo de B. La energía de adsorción de NO / BA fue de - 0,18 eV, la transferencia de carga fue de - 0,01 e desde la molécula de gas NO a los BA y la distancia de los NO-BA fue de 2,86 Å. Había muchas líneas en el nivel de energía de Fermi. Encontró que la brecha de energía en la banda media redujo el valor de la brecha de banda. En el diagrama de densidad de estados, hubo un pico de onda adicional por encima del nivel de energía de Fermi, pero hubo pocos cambios bajo el nivel de energía de Fermi, relativamente estable en la Fig. 3. La mezcla de orbitales causó una pequeña transferencia de carga y redistribución sobre la interacción. región. El análisis de población para la transferencia de carga de Mulliken mostró que la carga de 0.01e se transfirió desde la superficie de los BA a la molécula de NO, lo que sugiere que el NO actuó como donante. No hubo desviación en el DOS en el rango de -7 a 4 eV, lo que sugirió que el NO se adsorbía semanalmente en los BA.

NO 2 adsorción: NO 2 La molécula de gas tendía a adsorberse en la parte superior del átomo de As. La energía de adsorción de NO 2 / BAs fue - 0.43 eV, y la distancia del NO 2 -BA fue 2,47 Å. Lo interesante fue que el punto cero en la banda cruzó una línea recta directamente después de la adsorción de NO 2 molécula de gas, lo que significó que los BA, que es un semiconductor, se transformaron en el atributo oro; la banda prohibida fue de 0 eV. No hubo grandes cambios en el conjunto y se generó un pico de aproximadamente - 3 eV debido a NO 2 adsorción molecular de gas. Hubo una cresta de onda obvia de la energía de - 7 eV y 2 eV, que tuvo grandes contribuciones al DOS. En general, la adsorción de NO 2 por BAs fue mejor que el de varias moléculas anteriores.

NH 3 adsorción: NH 3 La molécula de gas tendía a adsorberse en la parte superior del átomo de As. La energía de adsorción de NH 3 / BA fue -0,34 eV, la transferencia de carga de NH 3 molécula de gas a BA fue 0.007e, y la distancia del NH 3 -BA fue 3,27 Å. No hubo un cambio claro en la banda de energía y la densidad de estados, excepto que hubo un pico obvio de adsorción de NH 3 molécula de gas por debajo del nivel de Fermi. El NH 3 La molécula de gas tuvo un pequeño impacto en los BA a - 8 a - 4 eV, formando un pico de 15 eV. El efecto de adsorción y la sensibilidad de sus BA al NH 3 molécula de gas eran generales.

ASÍ 2 adsorción: SO 2 molécula de gas tendía a adsorberse en el punto central, la energía de adsorción de SO 2 / BAs fue - 0.92 eV, y el análisis de población para la transferencia de carga de Mulliken mostró que - 0.179e de carga se transfirió desde la superficie de BAs al SO 2 molécula de gas, lo que sugiere que SO 2 La molécula de gas actúa como aceptor. La distancia del SO 2 / BA fue 2,46 Å. En comparación con otras moléculas de gas, el SO 2 / Los BA tenían la mayor energía de adsorción, la segunda mayor transferencia de electrones y la distancia más corta del SO 2 -BAs. Como se muestra en la Fig.3, la banda de valencia de los BAs tuvo un aumento obvio y la banda prohibida disminuyó, y debido al SO 2 adsorbido molécula de gas, se pudo ver a partir de la densidad de estados que había un pico de onda más a - 7.5 eV y cierta transferencia en el nivel de Fermi. La adsorción de SO 2 by BAs tuvo un efecto excelente.

La Fig. 4i muestra el diagrama de densidad electrónica de SO 2 / BA y la superposición local de electrones entre BA y SO 2 Molécula de gas. Sobre esta base, llegamos a la conclusión de que la adsorción de SO 2 por BAs fue la adsorción física. El cálculo de WF que se muestra en la Fig. 5 fue de gran importancia para explorar la posibilidad de regular las propiedades electrónicas y ópticas (como los espectros de absorción y las funciones de pérdida de energía) mediante la adsorción de moléculas pequeñas. La función de trabajo se definió en física de sólidos como la energía mínima requerida para mover un electrón desde el interior de un sólido a la superficie del objeto. La función de trabajo de los BA prístinos fue de 4,84 eV. NO y NH 3 las moléculas de gas fueron donantes en la transferencia de carga y su función de trabajo disminuyó; la función de trabajo fue de 4,80 eV y 4,68 eV, respectivamente. La función de trabajo de N 2 / BAs, CO 2 / BAs y CO / BAs era el mismo que el de BAs. La función de trabajo de O 2 / BAs, NO 2 / BAs y SO 2 / BA fue mayor que BA. Combinado con la energía de adsorción anterior, la distancia de las moléculas de gas y la superficie de los BA, la transferencia de carga y la función de trabajo, encontramos que SO 2 La molécula de gas era la más adecuada para los materiales BA.

Densidad de electrones para N 2 prístino / BAs ( a ), O 2 / BAs ( b ), CO 2 / BAs ( c ), H 2 O / BA ( d ), CO / BA ( e ), NO / BA ( f ), NO 2 / BA ( g ), NH 3 / BAs ( h ) y SO 2 / BAs ( i )

Función de trabajo de los BAs N 2 / BAs, O 2 / BAs, CO 2 / BAs, H 2 O / BA, CO / BA, NO / BA, NO 2 / BAs, NH 3 / BAs y SO 2 / BAs

Conclusión

Hemos presentado las propiedades estructurales y electrónicas de los BA con adsorbentes N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 O, CO, NO, NO 2 , NH 3 y SO 2 Molécula de gas, utilizando el método de la teoría funcional de la densidad. En la energía de adsorción, SO 2 > NO 2 > H 2 O> O 2 > NH 3 > CO 2 > CO> N 2 > NO y SO 2 2 2 3 2 2 O 2 en la distancia de adsorción. NO 2 tiene el Q más grande y función de trabajo, tal vez podría ser detectado por el material propuesto debido a una buena respuesta eléctrica. SO 2 La molécula de gas tenía la mejor energía de adsorción, la distancia más corta para la molécula de gas y la superficie de los BA, y una cierta cantidad de transferencia de carga. En combinación con la energía de adsorción anterior, la distancia de la molécula de gas y la superficie de los BA, la transferencia de carga y la función de trabajo, la corriente y el cambio de corriente inducido por adsorción de los BA exhiben fuertes características anisotrópicas. Tal sensibilidad y selectividad para SO 2 La adsorción de moléculas de gas hace que los BA sean un candidato deseable como sensor de gas superior.

Abreviaturas

BA:

Arseniuro de boro hexagonal

DOS:

Densidad de estados

WF:

Función de trabajo


Nanomateriales

  • Metal
  • Resina
  • fibra
  • Material compuesto
  • Nanomateriales
  • Materiales poliméricos
  • Biologicos
  • Teñir
  • Especias

    1. Elección de tintes solventes de la mejor calidad para una aplicación perfecta
    2. Seguimiento de ubicación WiFi:¿Es la tecnología adecuada para su aplicación?
    3. 10 factores para encontrar el interruptor perfecto para su aplicación
    4. El potencial para integrar datos visuales con IoT
    5. ¿Cuál es el mejor gas para usar en la soldadura MIG?
    6. Cómo elegir el sensor adecuado para aplicaciones de llenado
    7. Sensor de gas portátil para el control ambiental y de la salud
    8. Rastreador de sensor WiFi RSSI para la ISS
    9. Sensor de gas Mq-3:La guía definitiva sobre un sensor de alcohol
    10. El material de electrodo adecuado para su aplicación de soldadura por resistencia
    11. Cómo elegir el filtro adecuado para su aplicación