基于表面功能化硼烯纳米结构传感器的第一性原理研究

Borophene, a monolayer of boron atoms, possesses a unique metallic property. A comprehensive understanding of the interfacial interaction among target molecule/surface-modified material/borophene nanostructure is essential to tune the electronic properties of borophene and to further design high-performance sensors. In this project, we propose to tune the static electronic properties and dynamic electron transport behaviors of surface-modified borophene nanostructure, using density functional theory combined with non-equilibrium Green’s function method. The sensor devices based on borophene nanostructure will be designed. The influencing mechanism of the physical, chemical properties and size effect of surface-modified materials to the device performance will be clarified, by analyzing the binding energy, charge transfer, band structure, current-voltage curves, and so on. Borophene nanostructure, as the building block of high-performance sensor, will be optimized, in virtue of the synergistic effect of surface modified material and borophene. This project contributes to understand the mechanism of surface functionalization, having certain theoretical guidance meaning on the sensor applications of borophene nanostructure.

硼烯是硼的单原子层，具有独特的金属电子特性。对检测目标/表面功能化材料/硼烯纳米结构界面相互作用的全面认识是实现表面功能化调控硼烯电学性能，成功设计高性能传感器的基础。本项目采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，选择多种功能性材料对硼烯纳米结构进行表面修饰，系统开展表面功能化调控硼烯纳米结构电子结构和电子输运行为的研究。设计构筑硼烯纳米结构传感器，通过分析界面上的结合能、电荷转移、能带结构、电流-电压关系等，阐明表面修饰材料的物理、化学性质、尺寸效应对传感性能的影响机制。利用表面修饰材料与硼烯的协同效应，提出材料结构优化方案，使其有望成为高性能纳米传感器的构筑材料。本项目的开展，对于认识表面功能化的作用机制，促进硼烯纳米结构在传感器领域的应用具有理论指导意义。

全面认识表面修饰材料与硼烯间的相互作用将极大地促进硼烯在未来电子光电器件的广泛应用。本项目利用密度泛函理论研究了金属离子、气体分子和其他二维半导体材料修饰在一维硼纳米管和二维硼烯表面对其稳定性、电子结构和光学性质的影响规律。结合非平衡格林函数，探索了表面功能化对硼烯电子输运行为的调控机制，利用空间选择性吸附不同掺杂效果的表面修饰材料产生整流效应，使其有望应用于光电二极管。分析了表面修饰材料类型与器件性能的构效关系。通过结构优化设计构建了基于硼烯的光电二极管器件结构。我们的研究结果对于硼烯纳米结构在传感器领域的应用具有理论指导意义。依托本项目，我们已发表SCI论文16篇（包括2022年正式出版1篇），2名项目参与人在本项目的基础上获得省自然科学基金青年项目资助。