基于第一性原理的二维材料黑磷砷气体传感器的机理研究

通过密度泛函理论计算,研究了气体小分子吸附在单层黑磷砷表面的电学和磁学特性.选择4个初始吸附点位来探索CO,CO_(2),NH3,SO_(2),NO和NO_(2)气体分子最优的吸附位置,计算了吸附能、吸附距离和电荷转移等电子结构参数,确定了吸附类型和敏感气体.结果表明,单层黑磷砷以强的物理吸附对NO_(2)和SO_(2)气体敏感,而通过化学吸附对NO气体敏感并且N原子和P原子间还形成新的化学键.从能带结构角度,CO,CO_(2)和NH3这三种气体吸附对黑磷砷的能带结构影响很小,SO_(2)气体吸附增大带隙宽度.磁性气体NO和NO_(2)的吸附则在费米能级附近引入杂质能带,这主要来源于N原子和O原子的p轨道,并且减小了带隙宽度.NO和NO_(2)气体还分别诱导了0.83μB和0.78μB的磁矩,使得整个体系带有磁性.理论研究表明,单层黑磷砷是检测NO,NO_(2)和SO_(2)气体的良好气敏材料.