Arseniuro de boro hexagonal como sensor de gas SO₂ de alta sensibilidad: Un estudio de primeros principios

Resumen

Usando teoría de funcional de densidad (DFT), examinamos la adsorción de nueve gases atmosféricos —N₂, O₂, CO₂, H₂O, CO, NO, NO₂, NH₃ y SO₂— en arseniuro de boro hexagonal (BAs) prístino. Evaluamos múltiples sitios de adsorción, calculamos energías de adsorción, transferencia de carga y funciones de trabajo, y analizamos la densidad de estados electrónicos. El SO₂ mostró la unión más fuerte (−0,92 eV), la distancia de equilibrio más corta (2,46 Å) y transferencia de carga significativa (−0,179 e). Estos hallazgos sugieren que el BAs monocapa podría servir como sensor de SO₂ altamente sensible y selectivo.

Introducción

El arseniuro de boro (BAs) es un semiconductor III-V que combina rendimiento fotoeléctrico sobresaliente, propiedades mecánicas robustas y una banda prohibida considerable. Trabajos recientes en materiales 2D III-V —incluyendo BN, AlN, GaN, GaAs y BP— han destacado su potencial para detectar biomoléculas, contaminantes y gases. 1–17 Por ejemplo, AlN(0001) ha sido identificado como un catalizador potente para síntesis de amoníaco, y nanohilos de GaAs muestran fuerte adsorción de CO₂ y N₂. 27–29

A pesar de la síntesis experimental y progreso teórico, las capacidades de detección de gases del BAs permanecen poco exploradas. En este estudio, usamos cálculos DFT de primeros principios para evaluar sistemáticamente la adsorción de gases atmosféricos comunes en BAs e identificar su idoneidad como sensor de gas, con enfoque en SO₂.

Teoría y Método de Simulaciones

El modelo consiste en una supercelda 4×4 de BAs con una sola molécula de gas adsorbida. Los cálculos se realizaron en DMol³ usando el funcional de intercambio-correlación GGA-PBE. Se empleó una malla de k-puntos Monkhorst-Pack 5×5×1 y smearing Methfessel-Paxton (0,01 Ry). Las posiciones atómicas se relajaron hasta que la energía total convergió a 1×10⁻⁵ eV y las fuerzas fueron inferiores a 0,06 eV/Å. 31–33

La energía de adsorción se define como:

E_ad = E_BAs+gas − (E_BAs + E_gas)

La transferencia de carga se evaluó mediante análisis de población de Mulliken.

Resultados y Discusión

Consideramos tres sitios de adsorción: encima de un átomo de boro (B), encima de un átomo de arsénico (As), y el centro del anillo hexagonal (centro). La Figura 1a muestra la geometría.

Tras la optimización geométrica, la longitud de enlace B-As fue 1,967 Å y la banda prohibida indirecta fue 1,381 eV, consistente con reportes previos. 34–35

Las energías de adsorción, transferencias de carga y distancias de equilibrio para todos los gases se resumen en la Tabla 1.

Observaciones clave:

• El SO₂ muestra la adsorción más fuerte (−0,92 eV) y la distancia de unión más corta (2,46 Å).
• El NO₂ tiene la mayor transferencia de carga (≈−0,09 e) y un efecto pronunciado en la estructura electrónica, volviendo el semiconductor en estado metálico.
• O₂ y CO₂ exhiben adsorción moderada, mientras que N₂ y CO interactúan débilmente.

El análisis de función de trabajo corrobora aún más la fuerte interacción del SO₂ con BAs: la función de trabajo prístina es 4,84 eV; la adsorción de NO y NH₃ la reduce, mientras que O₂, NO₂ y SO₂ la aumentan. Estas variaciones se alinean con las tendencias de transferencia de carga observadas.

Conclusión

Nuestro estudio DFT demuestra que el arseniuro de boro hexagonal exhibe sensibilidad excepcional a la adsorción de SO₂, caracterizada por la energía de adsorción más negativa, la distancia de equilibrio más corta y transferencia de carga significativa. En contraste, otros gases muestran interacciones más débiles. Estas propiedades —combinadas con cambios medibles en conductividad electrónica y función de trabajo— destacan al BAs como una plataforma prometedora y selectiva para detección de gas SO₂.