WS2와 같은 2차원 전이 금속 디칼코게나이드(2D TMD) , 고성능 가스 센서의 가능성이 있는 것으로 간주됩니다. 가스와 깨끗한 2D WS2 간의 상호 작용이 유감입니다. 민감한 요소가 너무 약해서 센서 응답을 감지하기 어렵습니다. 여기서, Al 및 P가 도핑된 WS2의 감지 기능은 아니요, 아니요2로 및 SO2 평가되었다. 특히, 타겟 가스에 대한 선택성과 도펀트 농도를 고려했습니다. 흡착 시스템의 분자 모델을 구성하고 밀도 기능 이론(DFT)을 사용하여 결합 에너지, 밴드 구조 및 상태 밀도(DOS)의 관점에서 이러한 가스의 흡착 거동을 탐구했습니다. 결과는 도핑 원자가 기체 분자와 기판 사이의 흡착 강도를 증가시킬 수 있음을 시사했습니다. 게다가, P-도핑된 WS2의 감도 아니오 및 아니오2로 CO2의 영향을 거의 받지 않았습니다. 또는 H2 O. Al 도핑된 WS2의 감도 아니요2로 그리고 SO2 또한 CO2의 영향을 받기 어려웠습니다. 또는 H2 O. NO 감지의 경우 WS2 7.4% 도펀트 농도를 갖는 것이 3.7% 도펀트 농도를 갖는 것보다 더 나은 감도 특성을 가졌다. SO2 동안 , 결과는 정반대였습니다. 이 작업은 유해 가스를 감지하기 위한 2D 재료에 적절한 도펀트(농도)를 선택하기 위한 포괄적인 참조를 제공했습니다.
질소 산화물과 이산화황은 산업 생산에 널리 사용됩니다. 예를 들어, 산화질소(NO)는 반도체 산업의 도핑 공정을 위한 질소 공급원으로 사용될 수 있으며 이산화황(SO2 ) 포도가 변질되는 것을 방지하기 위해 사용될 수 있다[1]. 그러나 이러한 가스는 유해할 뿐만 아니라 산성비나 광화학 스모그와 같은 심각한 환경 문제를 일으킬 수 있습니다[2, 3]. 산업 응용 분야에서 이러한 가스의 누출을 모니터링해야 합니다. 기존 연구들 중 금속산화물 가스센서는 많이 연구되어 왔지만 불안정하고 작업조건이 제한적이라는 단점이 있다[4]. 따라서 이러한 가스를 감지할 수 있는 새로운 물질을 찾는 것은 상당한 의미가 있습니다[5]. 기체 분자를 효과적으로 검출하기 위해서는 물질이 기체 분자를 흡착할 수 있는 큰 표면 부피비와 충분한 결합력을 가져야 합니다[6, 7]. 그래핀 및 희가스 감지 특성의 발견[8]은 연구자들이 2D 재료에 관심을 기울이도록 동기를 부여했습니다[9, 10].
2D 물질 중에서 전이 금속 이황화물(TMD)은 안정적인 반도체 특성과 적절한 캐리어 이동성 때문에 가스 감지 영역에서 많은 관심을 끌고 있습니다[11,12,13]. 특히 전형적인 TMD의 일종으로 WS2 우수한 열 안정성, 가변 밴드 구조[16, 17] 및 저렴한 비용과 같은 감지 재료[14, 15]에 대한 다양한 고유한 특성을 가지고 있습니다. 그러나 깨끗한 2D WS2 민감한 요소로서 표적 가스와의 약한 흡착과 같은 몇 가지 단점이 있어 가스 분자를 효과적으로 포착할 수 없습니다[18]. 이 경우 도핑은 물질과 기체 분자 사이의 표면 특성 및 결합력을 조정하고 기체의 흡착 및 감지 능력을 향상시키기 위해 2D 물질에서 널리 사용된다[19, 20]. 물론 서로 다른 도펀트는 감지 성능에 서로 다른 영향을 미칩니다. 따라서 도핑된 민감한 기판은 감지 성능을 향상시키기 위해 적절한 불순물을 찾아야 합니다. 예를 들어, Pd 도핑된 WS2 가스 감지에서 기존 제품보다 개선된 점을 이미 보여주었습니다[6, 21]. 불행히도, 도핑된 WS2에 대한 대부분의 이전 연구는 민감한 요소로서 기체 분자와 단층 필름 사이의 결합 강도와 전하 이동에만 초점을 맞췄습니다. 가스에 대한 흡착 선택성과 도핑 농도의 영향은 종종 무시됩니다. 이 연구에서 우리는 결합 강도와 전하 이동뿐만 아니라 표적 가스에 대한 흡착 선택도와 도핑 농도의 영향을 종합적으로 조사했습니다.
여기서, Al과 P 원자는 공유 반경이 가깝고 S 원자와 전자 구조가 유사함을 고려할 때 S 원자를 대체하고 안정적인 공유 구조를 형성하는 것이 더 쉽습니다. 많은 이전 연구에서 S 원자가 치환된 물질을 조사했습니다[22,23,24,25]. 따라서 이 작업은 Al 및 P가 도핑된 WS2의 감지 성능을 탐구했습니다. DFT의 도움으로 도핑된 시스템과 도핑되지 않은 시스템의 감지 특성을 결합 에너지, 밴드 구조 및 상태 밀도 측면에서 비교했습니다. WS2 Al 또는 P 원자로 도핑된 것은 깨끗한 WS2보다 명백한 이점이 있었습니다. 이러한 가스를 감지합니다. 아니오 외에 아니오2 및 SO2 , CO2를 고려했습니다. 및 H2 O는 타겟 가스에 대한 도핑된 기판의 선택성을 검사하기 위한 방해 가스로 사용됩니다. 3.7%와 7.4%의 두 가지 도핑 농도가 가스 민감도에 미치는 영향을 추정하기 위해 고려되었습니다. 이 작업은 유해 가스를 감지하기 위해 2D 재료에 적절한 도펀트(농도)를 선택하는 포괄적인 통찰력을 제공합니다.
이 작업에서 모든 첫 번째 원리 계산은 DFT를 기반으로 했습니다[26, 27]. 전자 교환 및 상관 관계를 처리하기 위해 PWC 기능이 있는 로컬 밀도 근사(LDA)가 선택되었습니다. 계산 부담을 줄이기 위해 커널(DFT semi-core pseudopots)을 단일 유효 포텐셜로 대체했습니다. 이중 수치 궤도 기저 세트와 궤도 편광 함수(DNP)가 선택되었습니다. 전체 궤도 컷오프 반경은 충분한 정확도를 보장하기 위해 4.9 Å로 설정되었습니다. Monkhorst-Pack k-point는 수렴 테스트 후 4 × 4 × 1로 설정되었으며 인접 유닛 간의 상호 작용을 피하기 위해 13.4 Å의 진공 층으로 설정되었습니다. 기하학에 대한 에너지 수렴 정밀도는 1.0 × 10 −5 입니다. Hartree, 최대 변위는 0.005 Å, 최대 힘은 0.002 Hartree/Å입니다.
그림 1a와 같이 9 W 원자와 18 S 원자를 포함하는 3 × 3 × 1 슈퍼셀이 설정되었습니다. 도핑된 WS2 모델의 경우 , S 원자는 그림 1b-d와 같이 P 또는 Al 원자 [28]로 대체되었습니다. 그런 다음 기하학 최적화가 주어졌습니다. 그 후, 가스 분자는 WS2 위에 설정되었습니다. 기체 흡착 모델을 구축하는 비행기. 흡착된 기체 분자에 대한 3개의 사이트가 선택되었습니다. 그들은 S 또는 도펀트 원자(I)의 상단, 도핑된 원자와 W 또는 S 원자 사이의 결합 중간점(II)의 상단, 육각형 구조의 중심(III)이었습니다. 그림 1a-c. 모든 흡착 시스템에 대한 기하학적 최적화 후, 가장 안정적인 기체 흡착을 갖는 기하학적 구조가 발견되었습니다. 결합 에너지(E 바인드 )는 물질과 흡착된 기체 분자 사이의 상호작용을 반영할 수 있으며 다음 함수에 의해 계산됩니다.
$$ {E}_{bind}={E}_{tot}-{E}_m-{E}_{가스} $$ (1)a의 4 × 4 × 1 슈퍼셀 모델 깨끗한 WS2 , b 알도핑된 WS2 , 및 c P 도핑된 WS2 3개의 흡착 부위가 표시되어 있습니다. 그리고 d의 모델 아니요, 이 아니요2 , 및 f SO2 분자. 노란색, 하늘색, 진한 빨간색, 보라색, 파란색 및 빨간색 볼은 각각 S, W, Al, P, N 및 O를 나타냅니다.
여기서 E m 기체 분자를 흡착하지 않고 재료의 에너지를 나타냅니다. E 너무 재료와 기체 분자의 총 에너지를 나타내며, E 가스 분리된 기체 분자의 에너지를 나타냅니다[29]. E의 더 상당한 절대값 바인드 물질과 기체 분자 사이의 더 강력한 상호 작용력을 나타냅니다.
형성 에너지(E 에프엠 ), 이는 도핑 시스템 형성의 어려움을 반영할 수 있으며 시스템의 안정성은 아래 함수에 의해 계산되었습니다.
$$ {E}_{fm}={E}_{tot}+{E}_s-{E}_m-{E}_{도펀트} $$ (2)여기서 E s 치환된 S 원자의 총 에너지, 그리고 E 도펀트 도펀트 원자의 총 에너지를 나타냅니다. E의 더 중요한 값 에프엠 도펀트 시스템을 형성하기가 더 어렵다는 것을 의미합니다.
흡착 위치는 그림 1a-c에 표시되어 있으며, 이는 원래 상태, Al 도핑 및 P 도핑 WS2에 해당합니다. , 각각. 그림 1,d-f에서 N-O, N=O, S=O의 결합길이는 각각 1.16 Å, 1.21 Å, 1.46 Å이다. W–S, Al–W 및 P–W 결합의 결합 길이는 각각 약 2.43 Å, 2.86 Å 및 2.45 Å였습니다. 기하학적 최적화 후, 각 흡착물에 대해 에너지적으로 유리한 위치가 후속 논의에서 사용되었습니다. 3.7% P 및 Al 도핑된 WS2의 결합 에너지 에너지적으로 유리한 위치의 시스템은 표 1에 나와 있습니다. 순수한 WS2의 결합 에너지 시스템은 표 S1에 나와 있습니다. 그런 다음 결합 에너지의 결과에 따라 기체 분자와 순수한 WS2 사이의 상호 작용 너무 약해서 기판 물질이 기체 분자를 안정적으로 흡착하기 어려웠습니다. NO 깨끗한 WS2의 결합 에너지 시스템은 심지어 긍정적이었습니다. 그러나 도펀트의 도입은 가스와 WS2 사이의 흡착 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. , 특히 WS2의 경우 Al 원자에 의해 도핑된다. 모든 도핑 사례 중 흡착 강도가 가장 작은 반면 SO2 P–WS2에 흡착 . 또한 Al과 P 외에 같은 시기에 존재하는 다른 원소나 O, Si, Cl, Se 등 S와 함께 있는 원소들도 고려하였다. Fe 도핑 W 치환 WS2의 경우 WS2 동안 이러한 도펀트가 있는 시스템은 안정성이 낮거나(높은 E 에프엠 ) 또는 가스 분자와의 약한 상호 작용. 이를 고려할 때 이러한 도펀트는 후속 연구에 포함되지 않았다. NO, NO2의 에너지적으로 유리한 부위(가장 낮은 음성 결합 에너지) 및 SO2 도핑된 WS2에 흡착된 분자 그림 S2, S3 및 S4에 각각 표시되어 있습니다.
<그림>원시 및 Al 및 P 도핑 단층 WS2의 밴드 구조 PDOS(projective density of state) 결과는 Fig. S5에 나타내었다. 단층 2H WS2 Γ 지점에서 직접적인 밴드갭을 갖는 반도체이다. WS2의 경우 Al 원자로 도핑된 불순물은 단층 2H WS2의 밴드갭 영역으로 인터페이스 상태를 도입했습니다. . 또한 금속 원자의 존재는 반도체 표면 영역에 고정된 페르미 준위와 함께 쇼트키 장벽을 형성합니다. 고정 위치는 첫 번째 반도체의 페르미 준위까지 0.2 eV 이내입니다[5]. 금속 속성은 금속 도펀트에 의해 제공됩니다[30]. 동시에 P 원자는 WS2의 전도대 및 가전자대와 혼합된 에너지 대역을 도입했습니다. . 도핑된 WS2의 밴드 구조 가스 흡착 후는 그림 S6에 나와 있습니다. 결과적으로 Al 도핑된 WS2에서 NO인 경우 , P-도핑된 WS2에 NO 및 SO2 Al 도핑된 WS2에서 , 물질의 밴드갭 폭은 기체 분자가 흡착된 후 분명한 변화를 보였다. 이전 연구에 따르면 밴드갭이 좁으면 운동 안정성이 낮고 화학적 활성이 높으며 가전자대에서 전도대로 전자가 더 자연스럽게 전환됩니다[31, 32]. 따라서 가스 흡착 후 도핑된 물질의 명백한 밴드갭 변화로 인해 가스 분자의 존재를 감지하는 민감한 기판이 될 수 있습니다.
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a의 밴드 구조 깨끗한 WS2 , b 알도핑된 WS2 , 및 c P 도핑된 WS2
기체 분자와 기질 물질 사이의 전하 이동을 기반으로 기체 감지는 기체 센서에 의해 완료될 수 있습니다. 전통적인 전하 이동 이론에 따르면 가스와 WS2 사이의 전하 이동 과정의 메커니즘 LUMO는 가장 낮은 비점유 분자 오비탈이고 HOMO는 가장 높은 점유 분자 오비탈입니다. 이 f 기판의 페르미 준위입니다. E인 경우 f LUMO와 HOMO 사이에 있으면 전통적인 이론에 따라 전하 이동이 없습니다. 그런 다음 Zhou et al. 전하 이동 메커니즘은 E인 경우 기판 재료와 LUMO 및 HOMO의 궤도 혼합에 의해 결정될 것이라고 덧붙였습니다. f 그림 3a[5]와 같이 LUMO와 HOMO 사이에 있습니다. LUMO가 WS2의 페르미 준위보다 낮은 경우 , 전자는 WS2에서 흐를 것입니다. 도 3b에 도시된 기체 분자로 [7]. 평형 상태에 도달한 후 E f 흡착 시스템의 LUMO와 동일합니다. 반대로 HOMO가 WS2의 페르미 준위보다 높으면 , 전자는 가스 분자에서 WS2로 흐를 것입니다. 그림 3c [5]에 나와 있습니다. E f 흡착 시스템의 평형 상태에서 LUMO와 동일합니다. NO, NO2의 LUMO 및 HOMO 등가곡면 및 SO2 분자 궤도는 각각 그림 4,a-c에 나와 있습니다. LUMO와 HOMO 그리고 E의 에너지 f /WS2 표 S2에 제시되어 있습니다. 표에 따르면 E f Al- 및 P-도핑된 흡착 시스템에서 LUMO와 HOMO 사이에 놓여 있습니다. 따라서 기체 분자의 LUMO와 HOMO와 기질 물질 사이의 궤도 혼합을 탐구하는 것이 필요합니다.
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전하 이동 메커니즘의 개략도
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분자 궤도 a의 LUMO 및 HOMO 아니요, b 아니요2 , 및 c SO2
DOS는 기체와 기질 사이의 상호 작용에 의존하는 흡착 시스템의 전자 분포 및 궤도 혼합을 추가로 논의하는 데 사용되었습니다. 그림 5는 가스, 도펀트, S 및 W 원자의 DOS를 나타냅니다. 검정색과 빨간색 선은 각각 가스와 도펀트의 DOS 곡선입니다. 그리고 파란색과 올리브색 선은 각각 S와 W 원자의 선이었습니다. 기체 흡착 후 궤도 상호 작용으로 인해 전자 재분배가 전체 시스템에서 발생하여 기체와 기질 물질 사이의 DOS 피크가 겹칩니다. DOS 피크의 겹침은 분자 궤도 사이의 혼합을 의미하여 가스와 감지 물질 사이의 상호 작용이 있음을 증명합니다[33]. 분자 오비탈의 혼합은 기체와 물질 표면 사이의 흡착 상호작용을 증가시킬 수 있도록 전하 이동에 도움이 되었습니다[34,35,36]. 따라서 분자 오비탈 간의 혼합을 비교하여 기체 분자의 흡착 효과를 평가하였다. 그림 5a에서 NO 분자와 Al 원자 사이의 오비탈 혼합은 -12.62와 -8.11 eV에서 나타났다. 그리고 NO 분자와 Al, S, W 원자 사이의 궤도 혼합은 2.02 eV였다. 그림 5b에서 NO2 사이의 오비탈 혼합 분자와 Al 원자는 -19.60, -11.60, -8.44 eV에 있었다. 그리고 NO2 사이의 궤도 혼합 분자와 Al, S, W 원자는 0 eV에 있었다. 그림 5c에서 SO2 사이의 오비탈 혼합 분자와 Al 원자는 -12.09 eV에 있었다. SO2 사이의 궤도 혼합 분자와 Al 및 S 원자는 -8.27 eV에 있었습니다. SO2 사이의 궤도 혼합 분자와 Al, S 및 W 원자는 1.75 eV에 있었습니다. 그림 5d에서 NO 분자와 P 원자 사이의 궤도 혼합물은 -12.21 eV에 있었다. 그리고 NO 분자와 P, S, W 원자 사이의 궤도 혼합은 -10 eV에서 이루어졌다. 그림 5e에서 NO2 사이의 궤도 혼합물 분자와 P 원자는 -12.63 eV에 있었다. 그리고 NO2 사이의 궤도 혼합 분자와 P, S, W 원자는 -9.66과 -5.51 eV에 있었다. 그림 5f에서 SO2 사이의 오비탈 혼합 분자와 S 원자는 -9.25 eV에 있었다. 위의 결과로부터 불순물의 존재가 더 많은 오비탈 혼합을 초래함을 알 수 있다. 더욱이, Al 원자가 도핑된 시스템의 오비탈 혼합은 P 원자가 도핑된 시스템보다 더 많으며, 이는 빙잉 에너지 결과와 잘 일치하는 Al 도핑 시스템에서 기체 분자와 기판 사이의 더 강한 상호 작용을 나타냅니다. 요약하면, 불순물의 도입은 전체 대역에서 더 많은 활성화된 피크를 제공할 수 있으므로 기질과 기체 분자 사이의 궤도 혼합 가능성이 증가합니다.
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a의 DOS NO, Al, S 및 W 원자; ㄴ 아니요2 , Al, S 및 W 원자; ㄷ SO2 , Al, S 및 W 원자; d NO, P, S 및 W 원자; 이 아니요2 , P, S 및 W 원자; 및 f SO2 , P, S 및 W 원자
Al 및 P 도핑된 WS2의 감지 가능성을 추가로 평가하려면 , CO2 및 H2 O는 Al 및 P가 도핑된 WS2의 선택성을 테스트하기 위해 고려되었습니다. 목표 가스에. NO, NO2와 유사 또는 SO2 흡착, WS2에서 기하학적 대칭이 높은 세 사이트 중 가장 안정적인 흡착 사이트 그림 S7(a), (b), (c) 및 (d)에 나와 있습니다. 결합 에너지 결과는 Table S3에, 밴드 구조 결과는 Fig. S7(e), (f), (g), (h)에 나타내었다. 고립된 CO에서 C=O의 결합 길이2 및 격리된 H2의 OH O는 각각 1.175 Å 및 0.971 Å이었다. 도핑된 WS2에 가스가 흡착된 후에도 크게 변하지 않았습니다. H2 제외 O Al-WS2에 흡착됨 . 이는 H2 간의 상호 작용을 나타냅니다. O 분자 및 Al 도핑된 WS2 가장 강했다. 표 2에 따르면 H2의 계산된 결합 에너지는 Al-WS2의 O -1.69 eV였습니다.
<그림>이 모든 결과는 Al이 도핑된 WS2 H2의 존재 하에서 표적 가스에 대한 낮은 선택성을 가질 것입니다. O. 이 점을 더 확인하기 위해 그림 6과 같이 DOS 분석을 수행했습니다. 그림 6b의 경우 H2 그룹에서 Al-WS2의 O , E 근처의 기체와 기질 물질 사이의 DOS 피크 겹침 f (0 eV)는 다른 세 가지보다 훨씬 더 분명했습니다. 이는 H2 간의 강력한 상호 작용과 전하 이동 가능성을 입증했습니다. O 분자 및 Al-WS2 . 게다가, H2 사이의 더 많은 궤도 혼합 O 분자와 Al 원자가 발견되어 상호 작용에 대한 더 많은 증거를 제공했습니다. 이들로부터 우리는 Al-도핑된 WS2 감지 물질이 H2에 의해 쉽게 영향을 받기 때문에 O. 결합 에너지는 CO2에서 -0.18 및 -0.27 eV였습니다. 및 H2 P-도핑된 WS2에 O 흡착 , 각각. 이러한 결과는 NO(- 0.87 eV) 및 NO2의 결합 에너지보다 작았습니다. (− 1.27 eV) 그러나 SO2의 결합 에너지에 매우 가깝습니다. (− 0.29 eV) P-도핑된 WS2 . 그림 6c에서 CO2 사이의 오비탈 혼합 분자와 P 원자는 -12.63과 -9.66 eV에 있었다. 도 6d에서, H2 사이의 궤도 혼합물 O 분자와 S 원자는 -9.25 eV에 있었다. 따라서 P-도핑된 WS2의 감도 SO2로 CO2의 존재하에 쉽게 영향을 받았습니다. 또는 H2 O 결합 에너지와 궤도 혼합을 동시에 고려할 때.
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a의 DOS CO2 , Al, S 및 W 원자; ㄴ H2 O, Al, S 및 W 원자; ㄷ CO2 , P, S 및 W 원자; 그리고 d H2 O, P, S 및 W 원자
단일 원자 도핑(3.7% 도핑 농도)은 위의 부분에서 논의되었습니다. 서로 다른 도핑 농도가 센싱 성능에 영향을 미친다는 점을 고려하여 이원자 도핑(7.4% 도핑 농도)의 경우도 3 × 3 WS2 모델. S 원자는 여전히 도핑 원자로 대체되었습니다. 그림 S8에 표시된 도핑 위치에 대한 네 가지 상황이 있습니다. Al 도핑된 WS2의 경우 , 그들은 각각 2Al-1, 2Al-2, 2Al-3 및 2Al-4로 명명되었습니다. P 도핑된 WS2의 경우 , 그들은 각각 2P-1, 2P-2, 2P-3 및 2P-4로 명명되었습니다. 그런 다음, 각 도핑 시스템의 형성 에너지를 계산하여 이러한 구조 형성의 어려움을 평가했습니다. 에너지 형성이 낮을수록 구성 형성이 더 쉽습니다. 에너지 생성 결과를 표 S4에 나타내었다. 2Al-1 구조는 4가지 경우 중 형성 에너지가 가장 낮기 때문에 선택되었다. 유사하게, 2P-1과 2P-3은 인접한 대형 에너지를 가지고 있기 때문에 둘 다 선택되었습니다.
밴드 구조 결과(Fig. S6)에 따르면 Al이 도핑된 WS2 NO 및 SO2에 대한 우수한 흡착 성능을 가짐 NO2보다 도핑 농도가 3.7%일 때. 그리고 P-도핑된 WS2 NO2보다 NO에 대해 우수한 흡착 성능을 가짐 그리고 SO2 . 따라서 Al 도핑된 WS2의 경우 , NO 및 SO2만 도핑 농도가 7.4%일 때 고려하였다. P 도핑된 WS2의 경우 , NO만 고려되었습니다. 이를 기반으로 도핑 농도가 흡착 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 가장 안정한 흡착 구조는 Fig. S9에 나타내었고 결합 에너지 결과는 Table S5에 나타내었다. 이러한 시스템의 DOS는 그림 7에 나와 있습니다. 그림 7a에서 NO 분자와 Al 원자 사이의 오비탈 혼합은 각각 -6.51, -3.25 및 -0.75 eV였습니다. NO 분자와 S, W 원자 사이의 궤도 혼합은 1.78 eV였습니다. 그림 7b에서 SO2 사이의 오비탈 혼합 분자와 S 원자는 -19.69 eV에 있었다. SO2 사이의 궤도 혼합 분자와 S, 그리고 Al 원자는 -10.91 eV에 있었다. 그림 7c에서 NO 분자와 P 원자 사이의 오비탈 혼합은 -7.67 eV였다. 궤도 혼합은 NO 분자와 P 및 W 원자 사이의 -0.86 eV에서 발생했습니다. 궤도 혼합은 NO 분자와 P, S 및 W 원자 사이의 -2.39 eV였습니다. 도 7d에서 NO 분자와 W 원자 사이의 오비탈 혼합은 각각 -12.55 및 -0.76 eV였다. 도 7a와 도 5a를 비교하면, 7.4% Al-도핑 농도가 3.7%보다 더 큰 NO 흡착 성능을 유도함을 나타내는 궤도 혼합 및 결합 에너지가 강화됨을 관찰할 수 있다. 도 7b와 도 5c를 비교하면, 오비탈 혼합 및 결합 에너지가 약해져서 7.4% Al 도핑 농도가 더 나쁜 SO2를 유발함을 시사합니다. 3.7% 이상의 흡착 성능. 그리고 표 S5에 따르면 2P-1 시스템의 음성 결합 에너지는 2P-3 시스템보다 낮았다. 따라서 2P-3 시스템의 흡착 성능은 결합 에너지 및 궤도 혼합의 관점에서 2P-1 시스템보다 열등했으며 2P-1 구조를 그림 5d와 비교했습니다. 도 7c와 도 5d를 비교하면, 오비탈 혼합 및 결합 에너지가 강화되었고 7.4% P-도핑 농도가 3.7%보다 더 나은 NO 흡착 성능을 가져올 수 있음을 나타냈다. 요약하자면, P-도핑된 WS2의 감지 성능에 대한 다양한 도핑 농도의 영향을 관찰할 수 있었습니다. Al-doped WS2보다 적음 .
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a의 DOS NO, 2Al-1, S 및 W 원자; ㄴ SO2 , 2Al-1, S 및 W 원자; ㄷ NO, 2P-1, S 및 W 원자; 그리고 d NO, 2P-3, S 및 W 원자. 이 모든 흡착 시스템의 결합 에너지
한편, 모든 흡착시스템의 결합에너지는 Fig. 7e에서 기둥형 그래프 형태로 나타내었다. 그림 7e에 따르면 3.7% 및 7.4% 도핑 농도는 모두 순수한 WS2와 비교하여 시스템의 흡착 강도를 향상시킬 수 있습니다. 체계. 2개의 P 원자로 도핑된 시스템의 경우 7.4% 도핑은 특히 NO 가스 흡착에 대해 3.7% 도핑보다 흡착 강도를 개선했습니다. 두 개의 Al 원자로 도핑된 시스템의 경우 NO 가스에 대한 흡착 강도가 증가했습니다. SO2에 흡착력이 있으면서 또는 아니요2 감소하고 SO2의 경우 NO2인 경우보다 더 많이 감소했습니다. . 전반적으로 도핑 농도의 증가는 P가 도핑된 시스템보다 Al 도핑된 시스템의 흡착 강도에 더 큰 영향을 미쳤습니다.
이 작업에서는 첫 번째 원칙을 사용하여 WS2의 민감한 성능에 대한 Al 및 P 도펀트 및 도핑 농도의 영향을 평가하기 위해 이론적 계산을 수행했습니다. NO, NO2 쪽으로 및 SO2 분자. 이 작업은 또한 CO2가 있는 상태에서 대상 가스에 대한 선택성을 탐구했습니다. 및 H2 오 가스. 기체 흡착 후 밴드 구조의 경우 밴드갭의 변화와 페르미 준위 부근의 낮은 수준은 도핑된 WS2를 의미합니다. NO 또는 SO2에 대한 저항형 가스 센서로 사용될 가능성이 큽니다. . 결합 에너지 결과에 따르면 Al 및 P가 도핑된 WS2 깨끗한 WS2보다 기체 분자에 대한 음성 결합 에너지가 낮습니다. , 불순물의 존재로 인한 흡착 강도의 향상을 나타냅니다. DOS는 불순물이 더 많은 활성화된 피크를 생성하고 기체와 기질 사이의 궤도 혼합을 크게 자극하여 기질 물질의 감도를 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. 따라서 기체 분자와 도핑된 WS2 사이에 더 많은 전하 이동과 더 강한 결합 상호작용이 있었습니다. 재료. 게다가, P-도핑된 WS2의 감도 아니오 및 아니오2로 CO2의 영향을 받는 것은 거의 불가능했습니다. 및 H2 오, 그 동안 SO2 CO2가 있는 경우 변경됩니다. 또는 H2 O. Al 도핑된 WS2의 감도 NO는 H2의 영향을 쉽게 받았습니다. O 그러나 CO의 영향을 받기 어렵습니다2 . 그러나 Al이 도핑된 WS2의 감도는 아니요2로 그리고 SO2 CO2의 영향을 받기 어려웠습니다. 및 H2 O. NO 검출의 경우 Al 및 P가 도핑된 WS2 7.4% 도펀트 농도를 갖는 것이 3.7% 도펀트 농도를 갖는 것보다 더 나은 감도 특성을 가졌다. SO2 동안 감지, Al 도핑된 WS2 7.4%의 도펀트 농도를 갖는 것은 3.7% 도펀트 농도를 갖는 것보다 더 현저한 약화 응답 성능을 가졌다. P-도핑된 WS2의 감지 성능에 대한 도핑 농도의 영향 Al-doped WS2보다 작았습니다. . 따라서 우리의 포괄적인 계산은 도핑된 2차원 물질에 유독 가스를 감지하는 데 유용한 참조 자료를 제공할 수 있습니다.
모든 데이터는 제한 없이 완전히 사용할 수 있습니다.
2차원
전이 금속 이황화물
밀도 함수 이론
국소 밀도 근사
이중 숫자 플러스 편광
상태 밀도
상태의 부분 밀도
가장 낮은 비어 있는 분자 궤도
가장 높은 점유 분자 궤도
나노물질
초록 이 작업에서 CuO가 부하된 정방형 SnO2 나노입자(CuO/SnO2 NPs)는 0-25wt%의 다양한 Cu 함량으로 침전/함침 방법을 사용하여 합성되었으며 H2에 대해 특성화되었습니다. S 검출. 나노입자의 물질상, 형태, 화학적 조성 및 비표면적은 X선 회절, 투과전자현미경, 주사전자현미경, 에너지분산 X선 분광법, X선 광전자분광법, Brunauer-Emmett- 텔러 분석. 가스 감지 데이터에서 H2 SnO2의 S 응답 NP는 특히 20wt%의 최적 Cu 함량에서 CuO 로딩에 의해 크게 향상되었습니다. 20wt% C
초록 전 세계적으로 당뇨병 발병률이 매우 높아짐에 따라 포도당 농도를 신속하게 측정하기 위한 정확한 센서는 인체 건강에 매우 중요합니다. 본 연구에서는 구리 이온이 함침된 여과지를 고온에서 소성하여 합성된 다공성 탄소 기판(Cu NP@PC)에 수용된 구리 나노입자를 포도당의 전기화학적 감지를 위한 전극 활물질로 설계하였다. 다공성 탄소가 형성되는 동안 구리 나노 입자는 형성된 공극에 자발적으로 수용되어 반으로 덮인 복합재를 구성했습니다. 전기화학적 포도당 산화의 경우, 준비된 Cu NP@PC 합성물은 0.31mA/cm2의 전류 밀
