栅极调制的气体传感器量子输运特性的理论研究

Gas sensor is a research field with huge application background and marketing. Based on current hot topics in gas sensor field, this proposal will plan to research the quantum transport of graphene gas sensor with the absorption of greenhouse gases in theory. The theoretical method used in this proposal is first principle method combined with non-equilibrium Green’s functions. According to the result of structural relaxation, electronic structure calculation, and quantum transport calculation, we investigate the absorption behavior of greenhouse gases on the surface of graphene gas sensor, quantum transport of graphene gas sensor with the absorption of greenhouse gases and the tuning effect when gate voltage applies on the graphene gas sensor. We investigate the origin of quantum transport’s change when graphene gas sensor absorbs different greenhouse gases, understand physical picture and grasp change rule. Based on above result, we investigate the behavior of multiple gases on the graphene gas sensor, find the method how to distinguish different type and density of gases absorbed on graphene gas sensor, and build theoretical fundamental for the future application of graphene gas sensor.

气体传感器是一个具有巨大应用背景和广阔市场的研究领域，根据目前气体传感器领域的热点研究方向，本项目计划从理论上研究吸附温室气体的石墨烯气体传感器的量子输运特性。本项目是利用第一性原理计算方法结合非平衡格林函数方法，通过结构弛豫、电子结构计算和量子输运计算，探索温室气体分子在石墨烯气体传感器表面的吸附行为和量子输运特性以及栅极电压对这些物理特性的调制作用。通过分析计算结果，探索不同温室气体分子改变石墨烯气体传感器量子输运特性的起源，掌握其物理图像和变化规律。并且以此为基础，探索多种温室气体分子在石墨烯气体传感器表面的吸附行为以及其量子输运特性，寻找石墨烯气体传感器区分不同分子和不同浓度的方法和途径，为今后石墨烯气体传感器的广泛应用打下理论基础。

本项目利用第一性原理计算方法结合非平衡格林函数方法，从理论上研究吸附温室气体的石墨烯气体传感器的量子输运特性。构建石墨烯纳米带场效应晶体管作为气体传感器器件，通过对比器件吸附二氧化碳前后的量子输运特性，发现当栅压为-0.4伏特时，电流存在约6%的差异。理论模拟结果为石墨烯纳米带场效应晶体管的广泛应用提供理论基础。同时积极跟踪研究热点问题，针对一些其它新型低维材料开展相应的理论研究，其中包括镍原子链在氢气环境下的低电导现象、石墨烯量子点的吸附特性、磷烯光电探测器的输运特性、多层硒化钨在高温下的物理特性、铟磷单层材料的热电特性。针对新型二维材料的理论研究让我们了解其它材料的各种物理特性，可以为气体传感器的研究和应用提供新思路新方法。