典型二维非碳材料的甲醛气体吸附行为的第一性原理研究

发布时间：2020-04-30 02:23

【摘要】：气体传感器作为广泛应用的传感器,可以将气体特征信息通过特殊手段转化为相应可检测的电学信号特征,从而实现对特定气体的检测。随着人民生活水平的提高和对环境保护的日益重视,人们对各种有毒有害气体的检测,工业废气的监测以及对食品质量的检测提出了更高的要求。甲醛是一种有刺激性气味、无色的有毒气体,几乎存在人类活动的任何地方,甲醛(CH_2O)气体的检测对人们的生产和生活具有重要意义。随着石墨烯的成功制备,越来越多的二维材料被成功预测和制备。由于二维材料的高比表面积和优异的电学性能,它们作为敏感材料在半导体气体传感器领域的表现明显优于传统的金属氧化物(MEMS和NEMS器件中的应用)。二维材料作为敏感材料在气体传感器中的应用将会为传感器的性能带来极大的提升。本文的主要研究内容是运用第一性原理计算方法开展多种二维材料气体吸附行为的微观作用机理研究,尤其是针对CH_2O检测敏感材料的相关作用机理研究。通过第一性原理计算方法,本文展开了基于单层二维材料penta-BP_5多种气体(CH_2O、CO、CO_2、SO_2、O_2和NO)吸附行为的研究。文中计算了CH_2O、CO、CO_2、SO_2、O_2和NO在penta-BP_5表面吸附体系的结构和电学性能参数。计算结果表明CH_2O、CO、CO_2和SO_2在基底的表面吸附行为趋向于物理吸附。研究表明CH_2O和SO_2吸附于penta-BP_5表面时拥有明显的电荷转移,而且基底的电学性能在气体小分子吸附前后发生了明显改变,penta-BP_5可以应用于CH_2O和SO_2的检测。这两种气体在基底表面的吸附行为是物理吸附,吸附后很容易从penta-BP_5表面脱吸附,penta-BP_5对于这两种气体的检测表现可能比蓝磷烯好。对于O_2和NO吸附在penta-BP_5表面的吸附行为趋向于化学吸附,表明penta-BP_5能够应用于这两种气体的检测或者相关的催化反应。本文还通过第一性原理计算方法,专门展开了CH_2O在BN、AlN、GaN、InN、BP和P六种单层二维材料表面吸附机理的研究。本文计算了CH_2O在六种基底表面吸附体系的最稳定结构,电荷转移量和电学性能参数。研究结果表明,CH_2O在BN、GaN、BP和P表面的吸附行为趋向于物理吸附。通过计算分析吸附体系的能带结构和态密度,发现CH_2O吸附前后BN、AlN、GaN、InN和P的电学性能发生了明显的改变。CH_2O在GaN表面的吸附行为趋向于物理吸附,而且CH_2O和基底间有明显的电荷转移以及最大的吸附能,认为GaN是这六种材料里最适合运用于CH_2O检测的。CH_2O在AlN和InN表面的吸附行为趋向于化学吸附,并伴随着较大的吸附能和电荷转移量,考虑到化学吸附导致小分子脱吸附困难,单层AlN和InN适合应用于一次性CH_2O气体检测或者相关的催化反应。
【图文】：

器行业占据着举足轻重的位置。目前，大部分气体传感器的尺寸较集成化，而且在对检测精度要求越来越高的今天，传统的气体传感并不能满足人们的检测要求。尺寸小，精度高，可靠性好的气体传来越迫切。新材料的不断发现为气体传感器发展提供了强大动力，料石墨烯的成功制备，，越来越多性能优越的二维材料被人们预测和些材料不仅拥有良好的机械性能，而且还拥有良好的电化学性能[1量科学研究发现，由于二维材料巨大的比表面积，气体小分子更容材料接触，致使它们与气体小分子有着较强的物理或者化学作用。气体，这种相互作用可能会明显改变二维材料的电学性能，而这也作为敏感材料应用于气体传感器的可能[26, 37-40]。由于大部分二维材材料，所以大部分基于二维材料的传感器被归结于半导体气体传感材料的半导体气体传感器的一般结构示意图见图 1-1。当气体进入滤装置处理后，到达半导体敏感材料表面，对于特定的气体接近表材料的电荷分布产生一定的作用，从而改变其电学特性，通过测量的改变来反应特定气体小分子的相关信息。

§3.1 单层石墨烯的发现为地球上丰富的元素，几乎随处可见。人们最早认识墨具有良好的导电性和润滑性，金刚石几乎是自然。随着科学技术的不断发展，越来越多的碳的同素异如碳纳米管、C60和石墨烯等。石墨烯最早是由英v和 Geim 成功实验制备，并实现了原子级别的表征种高度对称的新材料，最小单元是由等效的 6 个碳原元环构成了蜂窝状的二维周期型结构[34]，见图 3-1。剥离得到的。研究表明，石墨从本质上来讲是多层石接在一起的，早期的石墨烯就是利用这个原理，利用剥离，直到获得的石墨越来越薄，实验最终获得了单实验制备技术的快速发展，性能越来越优异的石墨
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;O647.3

【参考文献】

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本文编号：2645285