基于密度泛函理论研究一种新型气体传感器材料—TM掺杂的石墨烯

In recent years, the environment problem that mankind faces is more and more serious with the rapid development of global economy. Some harmful gases are inevitably existed in our living environment and industrial environment. For example, CO、N2O、HCN、H2CO、SO2、NH3、HF、H2S、Cl2 and so on. In order to ensure safety in industrial, environmental and military monitoring, it is very necessary that graphene can be served as gas sensors with high sensitivity and high selectivity.. In this project, modulation of graphene by introducing dopants, vacancy defects or external electric field, effects of above factors on gas sensitivty and selectivity toward CO、N2O、HCN、H2CO、SO2、NH3、HF、H2S、Cl2 are systematically studied using first-principles approach based on density functional theory. The magnetic properties, orbit hybridization, energy band structure and charge transfer of these systems are thoroughly discussed in order to find out corresponding graphene structures as the suitable gas sensors and the mechanism of gas monitoring for graphene sensor, which provides the theoretical supporting and technical guidance for fabricating new gas sensors and provides research direction for the development of new materials.

近年来，随着全球经济的高速发展，人类所面临的环境问题日益严重。我们的生活环境、工业环境中不可避免的存在有害气体，譬如CO、N2O、HCN、H2CO、SO2、NH3、HF、H2S、Cl2等等。为达到工业、环境和军事检测等领域安全问题的要求，将石墨烯作为高灵敏度和高选择性的气体传感器制备材料是非常必要的。. 本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理的计算方法，从石墨烯结构改性、掺杂调制入手，系统的研究了石墨烯中TM原子掺杂或缺陷结构的引入及外电场的施加对CO、N2O、HCN、H2CO、SO2、NH3、HF、H2S、Cl2等气体分子气敏性和选择性的影响，通过分析各结构的磁性特征、轨道杂化、能带结构及电荷转移，筛选出适合作为各气体分子传感器的石墨烯结构，寻求改性掺杂后的石墨烯作为气体分子传感器的探测机理，为制备新型传感器器件提供理论指导和技术支持，为开发新材料提供研究方向。

石墨烯由于具有零带隙的独特能带结构、超大的比表面积、高电导率及低噪声等优良特性，可在气体传感器的研发和设计领域具有光明的应用前景。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，从石墨烯结构改性、掺杂调制入手，系统的研究了石墨烯中异质原子掺杂或缺陷结构的引入及外电场的施加对HCN、NO、NO2、SO2、H2CO和O2等气体分子吸附灵敏度和选择性的影响，获得的主要结论如下：在含有单空位缺陷的石墨烯及14种元素Li、B、N、Mg、Al、S、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Pt替位掺杂的石墨烯之中，Li和Mn掺杂的石墨烯更适合作为检测HCN分子的基底；SO2吸附可诱发Mn掺杂的石墨烯和Mn-SW缺陷共掺杂的石墨烯磁矩的急剧降低和电导率的显著变化，因此可作为探测和清除环境中SO2分子的理想材料；NO、NO2、SO2、H2CO和O2分子的吸附使得Ti、Cd、Mn掺杂的石墨烯复合体系的电子性质和自旋分布特征各有不同，借此可辨识被吸附气体分子；正方向电场有助于增强Mn掺杂石墨烯与NO、NO2、SO2、H2CO和O2分子之间的相互作用, 其相互作用随着电场强度的增大而增大，而负方向的电场反之；不同的气体分子CO、O2、NO、N2O、NO2和SO2的吸附不仅能对Pd掺杂石墨烯的功函数进行调制，而且对其光学吸收谱的影响也较为显著：O2@PdG, N2O@PdG 和 NO@PdG的吸收峰以不同的频率出现在可见光区，据此可通过测定吸收谱的频率，获悉吸附气体分子的种类，以达到甄别气体分子的作用。以上研究结果为制备新型传感器器件提供理论指导和技术支持，为开发新材料提供研究方向。