Al 및 P 도핑 WS₂ 센서: 제1원리 분석으로 NO, NO₂, SO₂ 검출 성능 향상

요약

WS₂ 같은 이차원 전이 금속 칼코게나이드(2D TMDs)는 고성능 가스 센서 잠재력을 가진 것으로 여겨진다. 그러나 순수한 2D WS₂를 감지 소재로 사용할 때 기체와의 상호작용이 너무 약해 센서 응답을 검출하기 어렵다. 본 연구에서는 Al 및 P 도핑 WS₂의 NO, NO₂, SO₂ 감지 능력을 평가하였다. 특히 목표 기체에 대한 선택성과 도펀트 농도를 고려하였다. 흡착 시스템 분자 모델을 구축하고 밀도 범함수 이론(DFT)을 사용하여 결합 에너지, 밴드 구조, 상태 밀도(DOS) 관점에서 이 기체들의 흡착 거동을 탐구하였다. 결과는 도핑 원자가 기체 분자와 기판 간 흡착 강도를 증가시킬 수 있음을 시사한다. 또한 P 도핑 WS₂의 NO와 NO₂에 대한 감도는 CO₂나 H₂O에 의해 거의 영향을 받지 않았다. Al 도핑 WS₂의 NO₂와 SO₂ 감도도 CO₂나 H₂O에 의해 거의 영향을 받지 않았다. NO 검출의 경우 7.4% 도펀트 농도 WS₂가 3.7%보다 더 나은 감도 특성을 보였으나, SO₂는 정반대 결과였다. 이 연구는 유해 기체 감지를 위해 2D 소재에 적절한 도펀트(농도)를 선택하는 데 포괄적인 참고자료를 제공한다.

서론

질소 산화물과 이산화황은 산업 생산에 널리 사용된다. 예를 들어 일산화질소(NO)는 반도체 산업에서 도핑 공정용 질소 공급원으로, 이산화황(SO₂)은 포도 변질 방지용으로 사용될 수 있다[1]. 그러나 이 기체들은 유해할 뿐만 아니라 산성비나 광화학 스모그 등 심각한 환경 문제를 야기할 수 있다[2, 3]. 산업 현장에서 이 기체들의 누출을 모니터링하는 것은 필요하다. 선행 연구들에서 금속 산화물 가스 센서가 널리 연구되었으나, 불안정성과 제한된 작동 조건이라는 단점이 있다[4]. 따라서 이 기체들을 감지할 새로운 소재를 찾는 것은 상당한 의미가 있다[5]. 기체 분자를 효과적으로 감지하기 위해서는 소재가 큰 표면적-부피 비와 기체 분자를 흡착할 충분한 결합력을 가져야 한다[6, 7]. 그래핀 발견과 희귀 기체 감지 특성[8]은 연구자들의 관심을 2D 소재로 돌렸다[9, 10].

2D 소재 중 전이 금속 이황화물(TMDs)은 안정된 반도체 특성과 적절한 캐리어 이동도 때문에 가스 센싱 분야에서 많은 주목을 받았다[11,12,13]. 특히 대표적 TMDs인 WS₂는 우수한 열 안정성, 조절 가능한 밴드 구조[16, 17], 저비용 등 감지 소재로 다양한 고유 특성을 가진다[14, 15]. 그러나 순수한 2D WS₂를 감지 소재로 쓸 때 목표 기체와의 약한 흡착으로 기체 분자를 효과적으로 포착할 수 없는 단점이 있다[18]. 이 경우 도핑은 2D 소재 표면 특성과 소재-기체 분자 간 결합력을 조절하여 기체 흡착과 감지 능력을 향상시키는 데 널리 사용된다[19, 20]. 물론 다른 도펀트는 감지 성능에 다른 영향을 미친다. 따라서 도핑된 감지 기판은 감지 성능 향상을 위해 적절한 불순물을 찾아야 한다. 예를 들어 Pd 도핑 WS₂는 이미 순수한 것보다 기체 감지에서 향상됨을 보였다[6, 21]. 불행히도 도핑된 WS₂를 감지 소재로 한 선행 연구 대부분은 기체 분자와 단일층 필름 간 결합 강도와 전하 이동에만 초점을 맞췄다. 기체에 대한 흡착 선택성과 도핑 농도 영향은 종종 간과되었다. 본 연구에서는 결합 강도와 전하 이동뿐만 아니라 목표 기체에 대한 흡착 선택성과 도핑 농도 영향을 포괄적으로 탐구하였다.

여기서 Al과 P 원자가 S 원자와 가까운 공유 반지름과 유사한 전자 구조를 가져 S 원자를 대체하고 안정한 공유 구조를 형성하기 쉽다고 고려하였다. 많은 선행 연구가 S 원자 치환 도핑 소재를 조사하였다[22,23,24,25]. 따라서 본 연구는 DFT를 활용하여 Al 및 P 도핑 WS₂의 감지 성능을 탐구하였다. 도핑 시스템의 감지 특성을 결합 에너지, 밴드 구조, 상태 밀도 측면에서 비도핑 것과 비교하였다. Al 또는 P 원자로 도핑된 WS₂가 이 기체들 감지에서 순수 WS₂보다 명백한 이점이 있음을 입증하였다. NO, NO₂, SO₂ 외에도 CO₂와 H₂O를 방해 기체로 고려하여 도핑 기판의 목표 기체 선택성을 조사하였다. 3.7%와 7.4% 두 도핑 농도를 고려하여 기체 감도에 미치는 영향을 평가하였다. 이 연구는 유해 기체 감지를 위해 2D 소재에 적절한 도펀트(농도)를 선택하는 포괄적 통찰을 제공한다.

방법

본 연구에서 모든 제1원리 계산은 DFT[26, 27] 기반으로 수행되었다. 전자 교환과 상관관계를 다루기 위해 PWC 함수를 가진 국소 밀도 근사(LDA)를 선택하였다. 계산 부담 완화를 위해 커널(DFT 반코어 슈도포텐셜)을 단일 유효 퍼텐셜로 대체하였다. 이중 수치 오비탈 기저 세트와 오비탈 분극 함수(DNP)를 선택하였다. 전역 오비탈 컷오프 반경을 4.9 Å로 설정하여 충분한 정확도 확보. Monkhorst-Pack k-포인트를 수렴 테스트 후 4 × 4 × 1로 설정하고, 인접 단위 간 상호작용 방지를 위해 13.4 Å 진공 층을 두었다. 기하 최적화 에너지 수렴 정밀도는 1.0 × 10⁻⁵ Hartree, 최대 변위 0.005 Å, 최대 힘 0.002 Hartree/Å로 설정.

9개 W 원자와 18개 S 원자를 포함하는 3 × 3 × 1 슈퍼셀을 구축하였다(그림 1a). 도핑 WS₂ 모델에서는 S 원자 하나를 P 또는 Al 원자로 대체하였다[28](그림 1b-d). 이후 기하 최적화를 수행하였다. 그 후 기체 분자를 WS₂ 평면 위에 배치하여 기체 흡착 모델을 구축하였다. 흡착 기체 분자에 대한 세 위치를 선택하였다. S 또는 도펀트 원자 위(Ⅰ), 도핑 원자와 W 또는 S 원자 간 결합 중점 위(Ⅱ), 육각 구조 중심(Ⅲ)(그림 1a-c 참조). 모든 흡착 시스템에 대한 기하 최적화 후 가장 안정한 기체 흡착 기하 구조를 찾았다. 결합 에너지(E_bind)는 소재와 흡착 기체 분자 간 상호작용을 반영하며 다음 함수로 계산:

$$ {E}_{bind}={E}_{tot}-{E}_m-{E}_{gas} $$ (1)

순수 WS₂의 4 × 4 × 1 슈퍼셀 모델 a, Al 도핑 WS₂ b, P 도핑 WS₂ c와 세 흡착 위치 표시. d NO, e NO₂, f SO₂ 분자 모델. 노란색, 연파랑, 진빨강, 보라, 파랑, 빨강 공은 각각 S, W, Al, P, N, O 나타냄

여기서 E_m은 기체 분자 흡착 없는 소재 에너지, E_tot는 소재와 기체 분자 총 에너지, E_gas는 고립 기체 분자 에너지[29]다. E_bind 절댓값이 클수록 소재와 기체 분자 간 상호작용 힘이 더 강함.

도핑 시스템 형성 난이도와 안정성 반영하는 형성 에너지(E_fm)는 아래 함수로 계산:

$$ {E}_{fm}={E}_{tot}+{E}_s-{E}_m-{E}_{dopant} $$ (2)

여기서 E_s는 치환된 S 원자 총 에너지, E_dopant는 도펀트 원자 총 에너지다. E_fm 값이 클수록 도펀트 시스템 형성 더 어려움.

결과 및 토의

흡착 위치는 그림 1a-c에 나타나며 각각 순수, Al 도핑, P 도핑 WS₂에 해당한다. 그림 1d-f에서 고립 NO, NO₂, SO₂의 N-O, N=O, S=O 결합 길이는 각각 1.16 Å, 1.21 Å, 1.46 Å이다. W-S, Al-W, P-W 결합 길이는 각각 약 2.43 Å, 2.86 Å, 2.45 Å이다. 기하 최적화 후 각 흡착질에 대한 에너지적으로 유리한 위치를 후속 토의에 사용하였다. 3.7% P 및 Al 도핑 WS₂ 시스템의 에너지적으로 유리한 위치에서의 결합 에너지를 표 1에 나타내었다. 순수 WS₂ 시스템 결합 에너지는 표 S1에 나타내었다. 결합 에너지 결과에 따르면 기체 분자와 순수 WS₂ 간 상호작용이 너무 약해 기판 소재가 기체 분자를 안정적으로 흡착하기 어렵다. NO-순수 WS₂ 시스템 결합 에너지는 양수였다. 그러나 도펀트 도입으로 기체와 WS₂ 간 흡착 강도가 유의미하게 향상되었으며, 특히 Al 원자 도핑 WS₂에서 두드러졌다. 모든 도핑 케이스 중 P-WS₂에 SO₂ 흡착 시 흡착 강도가 가장 작았다. Al, P 외에 S와 같은 주기나 족에 속하는 O, Si, Cl, Se 등 다른 원소도 고려하였다. Fe 도핑 W 치환 WS₂ 케이스는 그림 S1에 나타내었으며, 이 도펀트들을 가진 WS₂ 시스템은 불안정성(높은 E_fm)이나 기체 분자와의 약한 상호작용을 보였다. 이를 고려해 후속 연구에서 이 도펀트들은 배제하였다. NO, NO₂, SO₂ 분자가 도핑 WS₂에 흡착된 에너지적으로 유리한 위치(가장 낮은 음수 결합 에너지)는 그림 S2, S3, S4에 각각 나타내었다.

순수 및 Al, P 도핑 단일층 WS₂ 밴드 구조를 그림 2에 나타내었다. 투영 상태 밀도(PDOS) 결과는 그림 S5에 나타내었다. 단일층 2H WS₂는 Γ 점에서 직접 밴드갭을 가진 반도체다. Al 원자 도핑 WS₂에서는 불순물이 단일층 2H WS₂ 밴드갭 영역에 계면 상태를 도입한다. 게다가 금속 원자 존재로 페르미 준위가 반도체 표면 영역에 고정된 쇼트키 장벽이 형성된다. 고정 위치는 제1 반도체 페르미 준위에서 0.2 eV 이내[5]. 금속 도펀트가 금속적 특성을 가져온다[30]. 동시에 P 원자는 WS₂ 전도대와 원자가대와 혼합된 에너지 밴드를 도입한다. 기체 흡착 후 도핑 WS₂ 밴드 구조는 그림 S6에 나타내었다. 결과적으로 Al 도핑 WS₂ 상 NO, P 도핑 WS₂ 상 NO, Al 도핑 WS₂ 상 SO₂ 경우 기체 분자 흡착 후 소재 밴드갭 폭에 명백한 변화가 있었다. 선행 연구에서 밴드갭 좁아짐은 운동학적 안정성 감소, 화학적 활성 증가, 원자가대에서 전도대로 전자 전이 용이함을 의미함이 밝혀졌다[31, 32]. 따라서 기체 흡착 후 도핑 소재의 명백한 밴드갭 변화는 기체 분자 존재 감지가 가능한 감지 기판이 될 수 있게 한다.

밴드 구조: a 순수 WS₂, b Al 도핑 WS₂, c P 도핑 WS₂

기체 분자와 기판 소재 간 전하 이동에 기반하여 기체 감지가 완료될 수 있다. 전통적 전하 이동 이론에 따른 기체와 WS₂ 간 전하 이동 메커니즘을 그림 3에 나타내었다. LUMO는 최저 비점유 분자 오비탈, HOMO는 최고 점유 분자 오비탈. E_f는 기판 페르미 준위. E_f가 LUMO와 HOMO 사이에 있으면 전통 이론에 따라 전하 이동 없음. Zhou 등은 E_f가 LUMO와 HOMO 사이에 있으면 LUMO와 HOMO의 기판 소재와의 오비탈 혼합에 의해 전하 이동 메커니즘이 결정된다고 추가하였다(그림 3a)[5]. LUMO가 WS₂ 페르미 준위보다 낮으면 전자가 WS₂에서 기체 분자로 흐름(그림 3b)[7]. 평형 상태 도달 후 흡착 시스템 E_f는 LUMO와 같아짐. 반대로 HOMO가 WS₂ 페르미 준위보다 높으면 전자가 기체 분자에서 WS₂로 흐름(그림 3c)[5]. 평형 상태에서 흡착 시스템 E_f는 LUMO와 같아짐. NO, NO₂, SO₂ 분자 오비탈 LUMO와 HOMO 등고면을 그림 4a-c에 각각 나타내었다. LUMO와 HOMO 에너지 및 WS₂ E_f를 표 S2에 나타내었다. 표에 따르면 Al 및 P 도핑 흡착 시스템에서 E_f가 LUMO와 HOMO 사이에 있음. 따라서 기체 분자 LUMO와 HOMO와 기판 소재 간 오비탈 혼합 탐구 필요.

전하 이동 메커니즘 개략도

분자 오비탈 LUMO와 HOMO: a NO, b NO₂, c SO₂

DOS를 사용하여 흡착 시스템에서 전자 분포와 오비탈 혼합을 추가 논의하였으며, 이는 기체와 기판 간 상호작용에 의존한다. 그림 5는 기체, 도펀트, S, W 원자의 DOS를 나타낸다. 검정과 빨강 선은 각각 기체와 도펀트 DOS 곡선. 파랑과 올리브 선은 각각 S와 W 원자. 기체 흡착 후 오비탈 상호작용으로 전체 시스템에서 전자 재분포 발생하여 기체와 기판 소재 간 DOS 피크 중첩 발생. DOS 피크 중첩은 분자 오비탈 간 혼합을 의미하며 기체와 감지 소재 간 상호작용 존재 증명[33]. 분자 오비탈 혼합은 전하 이동에 도움이 되어 기체와 소재 표면 간 흡착 상호작용 증강[34,35,36]. 따라서 분자 오비탈 혼합 비교로 기체 분자 흡착 효과 평가. 그림 5a에서 NO 분자와 Al 원자 간 오비탈 혼합은 -12.62 및 -8.11 eV. NO 분자와 Al, S, W 원자 간 오비탈 혼합은 2.02 eV. 그림 5b에서 NO₂ 분자와 Al 원자 간 오비탈 혼합은 -19.60, -11.60, -8.44 eV. NO₂ 분자와 Al, S, W 원자 간 오비탈 혼합은 0 eV. 그림 5c에서 SO₂ 분자와 Al 원자 간 오비탈 혼합은 -12.09 eV. SO₂ 분자와 Al 및 S 원자 간 오비탈 혼합은 -8.27 eV. SO₂ 분자와 Al, S, W 원자 간 오비탈 혼합은 1.75 eV. 그림 5d에서 NO 분자와 P 원자 간 오비탈 혼합은 -12.21 eV. NO 분자와 P, S, W 원자 간 오비탈 혼합은 -10 eV. 그림 5e에서 NO₂ 분자와 P 원자 간 오비탈 혼합은 -12.63 eV. NO₂ 분자와 P, S, W 원자 간 오비탈 혼합은 -9.66 및 -5.51 eV. 그림 5f에서 SO₂ 분자와 S 원자 간 오비탈 혼합은 -9.25 eV. 위 결과에서 불순물 존재가 더 많은 오비탈 혼합 유도함. 게다가 Al 원자 도핑 시스템에서 오비탈 혼합이 P 원자 도핑 시스템보다 더 많아 기체 분자와 기판 간 더 강한 상호작용 나타내며 결합 에너지 결과와 잘 일치. 요약하면 불순물 도입이 전체 대역에서 더 많은 활성화 피크 제공하여 기판과 기체 분자 간 오비탈 혼합 가능성 증가시킴.

DOS: a NO, Al, S, W 원자; b NO₂, Al, S, W 원자; c SO₂, Al, S, W 원자; d NO, P, S, W 원자; e NO₂, P, S, W 원자; f SO₂, P, S, W 원자

Al 및 P 도핑 WS₂ 감지 잠재력 추가 평가를 위해 CO₂와 H₂O도 고려하여 목표 기체에 대한 Al 및 P 도핑 WS₂ 선택성 테스트. NO, NO₂, SO₂ 흡착과 유사하게 WS₂ 상 기하 대칭성 높은 세 위치 중 가장 안정한 흡착 위치를 그림 S7(a), (b), (c), (d)에 나타내었다. 결합 에너지 결과는 표 S3, 밴드 구조 결과는 그림 S7(e), (f), (g), (h)에 나타내었다. 고립 CO₂ C=O 결합 길이와 고립 H₂O O-H 결합 길이는 각각 1.175 Å, 0.971 Å. 도핑 WS₂ 상 흡착 후 크게 변하지 않으나 Al-WS₂ 상 H₂O 흡착 경우 예외. 이는 H₂O 분자와 Al 도핑 WS₂ 간 상호작용이 가장 강함을 나타냄. 표 2에 따르면 Al-WS₂ 상 H₂O 계산 결합 에너지는 -1.69 eV.

이 모든 결과는 Al 도핑 WS₂가 H₂O 존재 하 목표 기체에 대해 열악한 선택성을 가질 가능성 가리킴. 이 점 추가 확인 위해 DOS 분석 수행, 그림 6에 나타내었다. 그림 6b에서 H₂O on Al-WS₂ 그룹에서 기체와 기판 소재 간 E_f(0 eV) 근처 DOS 피크 중첩이 다른 세 경우보다 훨씬 명백. 이는 H₂O 분자와 Al-WS₂ 간 강한 상호작용과 전하 이동 가능성 더 높음 증명. 게다가 H₂O 분자와 Al 원자 간 더 많은 오비탈 혼합 발견되어 상호작용 추가 증거 제공. 이로써 Al 도핑 WS₂ 감지 소재는 H₂O에 쉽게 영향받을 수 있음 결론. P 도핑 WS₂ 상 CO₂와 H₂O 흡착 결합 에너지는 각각 -0.18, -0.27 eV. 이 결과들은 NO(-0.87 eV)와 NO₂(-1.27 eV) 결합 에너지보다 작으나 P 도핑 WS₂ 상 SO₂ 결합 에너지(-0.29 eV)와 매우 가까움. 그림 6c에서 CO₂ 분자와 P 원자 간 오비탈 혼합은 -12.63, -9.66 eV. 그림 6d에서 H₂O 분자와 S 원자 간 오비탈 혼합은 -9.25 eV. 따라서 결합 에너지와 오비탈 혼합 동시 고려 시 P 도핑 WS₂의 SO₂ 감도는 CO₂나 H₂O 존재 시 쉽게 영향받음.

DOS: a CO₂, Al, S, W 원자; b H₂O, Al, S, W 원자; c CO₂, P, S, W 원자; d H₂O, P, S, W 원자

위 부분에서는 단일 원자 도핑(3.7% 도핑 농도) 논의. 다른 도핑 농도가 감지 성능에 영향을 미치므로 이원자 도핑(7.4% 도핑 농도) 경우도 3 × 3 WS₂ 모델에서 논의. S 원자 여전히 도핑 원자로 대체. 도핑 위치에 네 상황 존재(그림 S8). Al 도핑 WS₂ 경우 2Al-1, 2Al-2, 2Al-3, 2Al-4로 명명. P 도핑 WS₂ 경우 2P-1, 2P-2, 2P-3, 2P-4로 명명. 각 도핑 시스템 형성 에너지 계산하여 구조 형성 난이도 평가. 형성 에너지가 낮을수록 구성 형성 더 쉬움. 형성 에너지 결과 표 S4에 나타내었다. 2Al-1 구조가 네 케이스 중 가장 낮은 형성 에너지 가져 선택. 유사하게 2P-1과 2P-3 인접 형성 에너지 가져 둘 다 선택.

밴드 구조 결과(그림 S6)에 따르면 3.7% 도핑 농도에서 Al 도핑 WS₂는 NO₂보다 NO와 SO₂에 우수한 흡착 성능 보임. P 도핑 WS₂는 NO₂와 SO₂보다 NO에 우수한 흡착 성능. 따라서 Al 도핑 WS₂ 7.4% 농도에서는 NO와 SO₂만 고려. P 도핑 WS₂ 7.4%에서는 NO만 고려. 이를 바탕으로 도핑 농도 흡착 성능 영향 탐구. 가장 안정한 흡착 구조 그림 S9, 결합 에너지 결과 표 S5에 나타내었다. 이 시스템들 DOS 그림 7에 제시. 그림 7a에서 NO 분자와 Al 원자 간 오비탈 혼합은 -6.51, -3.25, -0.75 eV. NO 분자와 S, W 원자 간 오비탈 혼합은 1.78 eV. 그림 7b에서 SO₂ 분자와 S 원자 간 오비탈 혼합은 -19.69 eV. SO₂ 분자와 S, Al 원자 간 오비탈 혼합은 -10.91 eV. 그림 7c에서 NO 분자와 P 원자 간 오비탈 혼합은 -7.67 eV. NO 분자와 P, W 원자 간 오비탈 혼합은 -0.86 eV. NO 분자와 P, S, W 원자 간 오비탈 혼합은 -2.39 eV. 그림 7d에서 NO 분자와 W 원자 간 오비탈 혼합은 -12.55, -0.76 eV. 그림 7a와 그림 5a 비교 시 오비탈 혼합과 결합 에너지 강화 관찰되어 7.4% Al 도핑 농도가 3.7%보다 더 큰 NO 흡착 성능 유도함. 그림 7b와 그림 5c 비교 시 오비탈 혼합과 결합 에너지 약화로 7.4% Al 도핑 농도가 3.7%보다 더 열악한 SO₂ 흡착 성능 유발. 표 S5에 따르면 2P-1 시스템 음수 결합 에너지가 2P-3보다 낮음. 따라서 결합 에너지와 오비탈 혼합 관점에서 2P-3 시스템 흡착 성능이 2P-1보다 열악. 그 후 2P-1 구조와 그림 5d 비교. 그림 7c와 그림 5d 비교 시 오비탈 혼합과 결합 에너지 강화되어 7.4% P 도핑 농도가 3.7%보다 더 나은 NO 흡착 성능 가져옴. 요약하면 P 도핑 WS₂ 감지 성능에 대한 도핑 농도 영향이 Al 도핑 WS₂보다 작음 관찰.

DOS: a NO, 2Al-1, S, W 원자; b SO₂, 2Al-1, S, W 원자; c NO, 2P-1, S, W 원자; d NO, 2P-3, S, W 원자. e 모든 흡착 시스템 결합 에너지

다른 한편 모든 흡착 시스템 결합 에너지를 그림 7e에 막대 그래프로 나타내었다. 그림 7e에 따르면 3.7%와 7.4% 두 농도 모두 순수 WS₂ 시스템보다 흡착 강도 향상. 두 P 원자 도핑 시스템에서 7.4% 도핑이 3.7%보다 흡착 강도 더 향상, 특히 NO 기체 흡착 시. 두 Al 원자 도핑 시스템에서 NO 기체 흡착 강도 증가. 반면 SO₂나 NO₂ 흡착 강도 감소, SO₂ 경우 감소가 NO₂보다 더 큼. 전반적으로 도핑 농도 증가가 Al 도핑 시스템 흡착 강도에 미치는 영향이 P 도핑 시스템보다 큼.

결론

본 연구에서 제1원리 이론 계산을 수행하여 Al, P 도펀트와 도핑 농도가 WS₂의 NO, NO₂, SO₂ 분자 감지 성능에 미치는 영향 평가. CO₂와 H₂O 기체 존재 하 목표 기체에 대한 선택성도 탐구. 기체 흡착 후 밴드 구조에서 밴드갭 변화와 페르미 준위 근처 낮은 준위들은 도핑 WS₂가 NO나 SO₂ 향한 저항형 가스 센서로 큰 잠재력 있음을 의미. 결합 에너지 결과에 따르면 Al 및 P 도핑 WS₂ 모두 순수 WS₂보다 기체 분자에 더 낮은 음수 결합 에너지 가져 불순물 존재로 흡착 강도 향상 나타냄. DOS는 불순물이 더 많은 활성화 피크 생성하고 기체와 기판 간 오비탈 혼합 유의미하게 자극하여 기판 소재 감도 향상시킴. 따라서 기체 분자와 도핑 WS₂ 소재 간 더 많은 전하 이동과 더 강한 결합 상호작용 발생. 또한 P 도핑 WS₂의 NO와 NO₂ 감도는 CO₂와 H₂O에 거의 영향받지 않으나 SO₂ 감도는 CO₂나 H₂O 존재 시 변화. Al 도핑 WS₂의 NO 감도는 H₂O에 쉽게 영향받으나 CO₂ 영향은 적음. 그러나 Al 도핑 WS₂의 NO₂와 SO₂ 감도는 CO₂와 H₂O에 거의 영향받지 않음. NO 검출 시 Al 및 P 도핑 WS₂ 7.4% 도펀트 농도가 3.7%보다 더 나은 감도 특성. SO₂ 센싱 시 Al 도핑 WS₂ 7.4% 도펀트 농도가 3.7%보다 더 현저한 감도 약화. 도핑 농도가 P 도핑 WS₂ 감지 성능에 미치는 영향이 Al 도핑 WS₂보다 작음. 따라서 포괄적 계산이 유해 기체 감지용 도핑 2차원 소재에 귀중한 참고자료 제공.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능하다.

약어

2D:

이차원 (Two dimensional)

TMDs:

전이 금속 이황화물 (Transition metal disulfides)

DFT:

밀도 범함수 이론 (Density functional theory)

LDA:

국소 밀도 근사 (Local density approximation)

DNP:

이중 수치 분극 포함 (Double numerical plus polarization)

DOS:

상태 밀도 (Density of states)

PDOS:

부분 상태 밀도 (Partial density of states)

LUMO:

최저 비점유 분자 오비탈 (Lowest unoccupied molecular orbital)

HOMO:

최고 점유 분자 오비탈 (Highest occupied molecular orbital)