BA 在用于检测 SO2 气体分子的气体传感器中的潜在应用：DFT 研究

介绍

BAs（六方砷化硼）由 III 族和 V 族元素组成。 III-V族元素具有优异的性能，如优异的光电性能、机械性能和大的带隙[1]。最近的研究[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]很好地证明了二维材料的潜在应用[2,3,4,5] ,20];这些材料已被用于识别各种生物分子 [21, 22]、污染物 [23, 24] 和气体分子 [25, 26]，以开发合适的传感设备。我们发现了越来越多的III-V族元素材料，例如BN、AlN、GaN、GaAs和BP，并且通过理论计算对气体分子进行了越来越多的研究。斯特拉克等人。 [27]发现AlN(0001)是高压高温合成氨的强力催化剂，该工作也证实了在AlN(0001)表面高效合成氨的可能性。刁等人。 [28] 介绍了 H2O、CO2、CO、H2 和 N2 在原始和 Zn 掺杂的 GaAs 纳米线的（10-10）表面上的吸附； CO2 和 N2 的吸附对吸收系数的影响最大。程等人。 [29] 通过第一性原理研究表明大多数气体分子吸附在纯 BP 和掺杂 BP 上，并得出结论，由于解吸过程的存在，N-BP 更适合作为 SO2、NO 和 NO2 的气体传感器。 Kamaraj 和 Venkatesan [30] 通过 DFT 和 LDA 研究了 BA 的结构和电子特性；尽管BAs的实验合成和理论研究取得了长足的进步，但BAs纳米片的研究成果赋予了该体系在纳米电子学和光伏领域的广阔应用前景。

在这项工作中，我们首先研究了气体传感特性，以通过密度泛函理论 (DFT) 计算充分利用 BA 作为气体传感器的可能性。我们基于第一性原理计算预测了大气气体（例如，CO2、O2、N2、H2O、NO、NO2、NH3、CO 和 SO2）在 BA 上的吸附特性。我们的工作证明了 BA 上 SO2 吸附的明显吸附行为、适度的电荷转移和独特的传输特性。结果表明，单层BAs在SO2传感方面具有巨大的应用潜力。

模拟的理论与方法

该系统被建模为 4 × 4 的 BAs 和吸附在其上的大气气体分子的超胞。在 DMol ³ [31] 计算过程中，使用 Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [32] 在一般梯度近似 (GGA) 内计算交换相关派系。使用 5 × 5 × 1 Monkhorst-Pack k 点网格和 0.01 Ry 的 Methfessel-Paxton 涂抹对布里渊区进行采样。直到总能量和赫尔曼-费曼力收敛到 1.0 × 10 ^-5 eV 和 0.06 eV/Å [33]。

为了评估气体分子与吸附片表面之间的相互作用，我们计算了吸附能 (E ad) 的吸附系统，其定义为：

其中 E BAs + 气体分子是BAs吸附体系的总能量，E BAs 是 BAs 的能量，E 气体分子是气体分子的能量。所有能量都是为优化的原子结构计算的。电荷转移通过Mulliken的布居分析进行研究。

结果与讨论

在这项工作中，BAs 考虑了三个吸附位点，即硼原子的顶部 (B)、砷原子的顶部 (As) 和六边形 B-As 的中心（中心），如图 1a 所示.我们研究了大气的存在，找到了最好的气体传感器。

一 BA 上的顶部站点和中心站点的示意图。 b BAs的DOS

首先，优化了原始 BAs 单层的几何结构，如图 1b 所示，BAs 键长为 1.967 Å。 BAs 片的能带结构存在 1.381 eV 的间接带隙，比块体结构小。这些值与之前报道的值非常吻合（图 2）[34, 35]。

气体分子最有利的吸附构型：N2 (a ), O2 (b ), 二氧化碳 (c ), H2O (d ), CO (e ), 否 (f ), NO2 (g ), NH3 (h ) 和 SO2 (i ) 在单层 BAs 上

同时，我们分析了吸附能、电荷转移以及分子与 BAs 表面之间的距离。最终结果如表 1 所示。

N 2 吸附： 研究了 N2/BAs 的三种构型的 N2 气体分子在 BAs 上的吸附，即。 B原子的顶面，As原子的顶面，以及BAs表面上方的六边形环的中心，最近的距离为3.764 Å、3.549 Å和3.65 Å，对应的吸附能为- 0.24 eV、- 0.27 eV 和 - 0.24 eV 分别。中心具有最好的吸附能和最稳定的结构。 N2BAs 的吸附能为 − 0.24 eV，电荷从 BAs 转移到 N ² 气体分子为 0.014e，N2-BAs 的距离为 3.65 Å。图 3a 表明在费米能级下有很多条线，相应的态密度在费米能级下有几个峰值。如图所示，N2气体分子有四个峰，对BAs有一定影响，主要是- 5到0 eV，对DOS有很大贡献。总体而言，N2气体分子吸附对BAs的影响较差。

N2/BAs 的态密度 (DOS) (a ), O2/BAs (b ), CO2/BAs (c ), H2O/BAs (d ), CO/BA (e ), NO/BAs (f ), NO2/BAs (g ), NH3/BAs (h ) 和 SO2/BAs (i )

哦 2 吸附： O2 气体分子倾向于吸附在中心点上。 O2/BAs的吸附能为- 0.35 eV，O2-BAs的距离为2.90 Å。 O2/BAs 的总能带结构和 DOS 绘制在图 3 中。很明显，一条额外的线穿过零点并减小了带隙； O2 气体分子在 - 1 到 0 eV 处有一个峰值，并且对费米能级以上的态密度有影响。 Mulliken电荷转移的总体分析表明- 0.172e从BAs表面转移到O2气体分子，表明O2气体分子充当受体。总的来说，BAs对O2气体分子的吸附优于N2。

CO 2 吸附： CO2 气体分子倾向于吸附在 As 原子的顶部。 CO ² 的吸附能 /BAs 为 − 0.28 eV，电荷从 BAs 转移到 CO ² 气体分子为−0.018e，CO ² -BAs 为 3.55 Å。如图 3 所示，与原始 BAs 相比，结构没有明显变化，在 DOS 中有一些明显的能量波峰 - 9 eV，对 DOS 有很大的贡献。这一点也突出了 BAs 对 CO2 气体分子的吸附。结果表明，BAs对CO2气体分子的吸附效果和敏感性一般。

H 2 O 吸附： H2O 气体分子倾向于吸附在 As 原子的顶部。 H ² 的吸附能 O/BAs 为 − 0.38 eV，电荷从 BAs 转移到 H ² O气体分子为−0.03e，H ² O-BAs 为 3.63 Å。如图 3 所示，与原始 BA 相比，结构没有太大变化。 Al-G 的费米能​​级明显增加并移至价带。一般来说，BAs上的H2O气体分子吸附被忽略。

CO 吸附： CO气体分子倾向于吸附在As原子的顶部。 CO/BAs 的吸附能为 - 0.27 eV，从 BAs 到 CO 气体分子的电荷转移为 - 0.024e，CO-BAs 的距离为 3.50 Å。 BAs-CO 的总态密度 (DOS) 和能带结构绘制在图 3 中。CO 气体分子和 As 原子在 DOS 上的 3 到 4 eV 峰的影响中发挥了巨大作用。然而，DOS在- 7到4 eV范围内没有偏差，这表明CO每周吸附在BA上。 - 3到1 eV和3 eV的能量有一些明显的波峰，这对DOS有很大的贡献。 Mulliken电荷转移的总体分析表明- 0.024e电荷从BAs表面转移到CO气体分子，这表明CO气体分子充当受体。总体而言，CO气体分子吸附对BAs的影响并不特别。

NO 吸附： NO气体分子倾向于吸附在B原子的顶部。 NO/BAs的吸附能为- 0.18 eV，NO气体分子到BAs的电荷转移为- 0.01e，NO-BAs的距离为2.86 Å。费米能级上有很多线。发现中带的能隙降低了带隙值。从态密度图来看，在费米能级之上有一个额外的波峰，但在费米能级之下几乎没有变化，在图3中相对稳定。轨道的混合导致相互作用的电荷转移和重新分布很小地区。 Mulliken 电荷转移的总体分析表明，0.01e 电荷从 BAs 表面转移到 NO 分子，表明 NO 作为供体。 DOS在- 7至4 eV范围内没有偏差，表明NO每周吸附在BAs上。

否 2 吸附： NO2 气体分子倾向于吸附在 As 原子的顶部。 NO2/BAs的吸附能为- 0.43 eV，NO2-BAs的吸附距离为2.47 Å。有趣的是，带中的零点在吸附 NO2 气体分子后直接与直线相交，这意味着作为半导体的 BAs 转化为金属性；带隙为 0 eV。整体变化不大，由于NO2气体分子吸附，在- 3 eV左右产生了一个峰。有明显的- 7 eV和2 eV的能量波峰，对DOS有很大贡献。总体而言，BAs对NO2的吸附效果优于上述几种分子。

新罕布什尔州 3 吸附： NH3 气体分子倾向于吸附在 As 原子的顶部。 NH ³ 的吸附能 / BA 为-0.34 eV，来自NH ³ 的电荷转移 气体分子与 BA 的距离为 0.007e，NH ³ -BA 为 3.27 Å。除了费米能级以下有明显的NH3气体分子吸附峰外，能带和态密度没有明显变化。 NH3 气体分子在- 8 到- 4 eV 处对BAs 的影响很小，形成了15 eV 的峰。其BAs对NH3气体分子的吸附效果和敏感性一般。

所以 2 吸附： SO2气体分子倾向于吸附在中心点，SO2/BAs的吸附能为- 0.92 eV，Mulliken电荷转移的总体分析表明- 0.179e电荷从BAs表面转移到SO2气体分子，表明SO2 气体分子充当受体。 SO2/BAs 的距离为 2.46 Å。与其他气体分子相比，SO2/BAs 的吸附能最大，电子转移第二大，距离最短。如图 3 所示，BAs 的价带有明显的上升，带隙减小，并且由于吸附了 SO2 气体分子，从态密度可以看出，在− 7.5 eV 处又出现了一个波峰和费米能级的某些转移。 BAs对SO2的吸附效果极佳。

图 4i 显示了 SO2/BAs 的电子密度图以及 BAs 和 SO2 气体分子之间的电子局部重叠。在此基础上得出BAs对SO2的吸附为物理吸附的结论。图 5 所示的 WF 计算对于探索通过吸附小分子来调节电子和光学性质（如吸收光谱和能量损失函数）的可能性具有重要意义。功函数在固体物理学中被定义为将电子从固体内部移动到物体表面所需的最小能量。原始 BA 的功函数为 4.84 eV。 NO和NH3气体分子是电荷转移的供体，功函数降低；功函数分别为 4.80 eV 和 4.68 eV。 N2/BAs、CO2/BAs 和 CO/BAs 的功函数与 BAs 的功函数相同。 O2/BAs、NO2/BAs 和 SO2/BAs 的功函数高于 BAs。结合上述吸附能、气体分子与BAs表面的距离、电荷转移和功函数，我们发现SO2气体分子最适合BAs材料。

原始 N2/BAs 的电子密度 (a ), O2/BAs (b ), CO2/BAs (c ), H2O/BAs (d ), CO/BA (e ), NO/BAs (f ), NO2/BAs (g ), NH3/BAs (h ) 和 SO2/BAs (i )

BAs N2/BAs、O2/BAs、CO2/BAs、H2O/BAs、CO/BAs、NO/BAs、NO2/BAs、NH3/BAs、SO2/BAs的功函数

结论

我们已经使用密度泛函理论方法展示了 BAs 与吸附剂 N2、O2、CO2、H2O、CO、NO、NO2、NH3 和 SO2 气体分子的结构和电子特性。在吸附能上，SO2> NO2> H2O> O2> NH3> CO2> CO> N2> NO和SO2Q 和功函数，也许它可以被提议的材料检测到，因为它具有良好的电响应。 SO2气体分子的吸附能最好，气体分子与BAs表面的距离最短，有一定的电荷转移。结合上述吸附能、气体分子与BAs表面的距离、电荷转移和功函数，BAs的电流和吸附诱导的电流变化表现出很强的各向异性特征。这种对SO2气体分子吸附的敏感性和选择性使BAs成为一种理想的气体传感器。

缩写

BA：

六方砷化硼

DOS：

态密度

WF：

工作职能