含点缺陷的二维硒化锗对有毒气体分子的吸附性能研究
发布时间：2020-03-20 18:48
【摘要】：单层硒化锗是具有类黑磷结构的二维单原子层薄膜,实验上已通过机械剥离和激光减薄技术相结合制备成功。因单层硒化锗为直接带隙半导体且具有良好的光学性质,在光电子、太阳能电池等方面具有重要应用前景。理论研究表明,单层硒化锗是有毒气体分子(NH3、SO2和NO2等)良好的检测和催化剂。该些有毒气体分子吸附在单层硒化锗上改变了其电子结构和光电性质。本文在此基础上探讨了单层硒化锗中的点缺陷,包括空位、反位和磷原子替代掺杂等引起的体系的稳定性、态密度和功函数等。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,考虑范德瓦尔斯相互作用,对点缺陷和原子掺杂的单层硒化锗体系开展了研究,并探索了含点缺陷的单层硒化锗-有毒气体分子(NH3、SO2和NO2)吸附体系的微观结构、稳定性和光电性质等吸附性能。获得的主要结论如下:(1)在微观结构方面,通过成键方式来看,点缺陷和原子掺杂对单层硒化锗的微观结构的影响较小。且对于原子掺杂体系中,掺杂原子与最近邻原子之间的成键方式均为共价键。有毒气体分子(NH3、SO2和NO2)与含点缺陷的单层硒化锗的距离在2A至3.2A之间。在稳定性方面,其中比较两种空位缺陷体系的形成能可得阴离子(Se)缺陷比阳离子(Ge)缺陷更易形成。比较反位掺杂和P原子掺杂体系的结合能发现,Se原子被替换的体系比替换Ge原子的体系的结合能更低,预示着Se原子被替换的体系更稳定。(2)在吸附性能方面,含点缺陷的单层硒化锗基底对有毒气体分子(NH3、SO2和N02)的吸附能力均强于纯的单层硒化锗基底吸附相应气体分子的能力。且还通过对基底与气体分子之间的成键方式、态密度等的分析可得,除NH3分子吸附在P原子取代Ge原子的硒化锗基底上为物理吸附以外,对于其它含点缺陷的单层硒化锗-有毒气体分子(NH3、SO2和NO2)吸附体系均为相互作用较强的化学吸附。其中对于有毒气体分子(NH3、SO2和NO2)吸附在GeSe基底上的吸附能最低、吸附效果最好、感应程度也最高。因在费米面附近的电子态密度对含点缺陷的单层硒化锗基底材料对有毒气体分子吸附非常敏感,改变了其电子性质,有利于用来探测有毒气体分子(NH3、SO2和NO2)。(3)在功函数方面,点缺陷、原子掺杂或者吸附有毒气体分子(NH3、SO2和NO2)可使得纯的单层硒化锗的功函数有一定的波动。与相应的含点缺陷的单层硒化锗功函数比较,发现含点缺陷的单层硒化锗吸附NH3分子将降低功函数,而吸附SO2和NO2时功函数增加。
【图文】：
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本文编号：2592036
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