类石墨烯二维材料烷烃气敏传感器的设计及敏化机理研究

Graphene-like materials such as silene, black phosphorus, and transition metal disulfide are a dimension on a nanometer scale, and infinitely repeated cycles in two-dimensional plane flat structure. This kind of material has the very high specific surface area and the electronic transport properties are highly susceptible to the influence of the gas in the surrounding environment. So their gas sensitive properties have been widely concerned. Based on previous research, we study the electronic transport properties of the one-dimensional gas-sensing molecular device when they are adsorbed by the alkane gas by using the first-principle method based on the non-equilibrium Green's function formalism and the density functional theory. The main researched contents include: (1) the atomic and electronic structure information of the alkane gases and the graphene-like two-dimensional materials; (2) the equilibrium conductance and the I-V characteristic of two one-dimensional gas-sensing molecular devices when they are adsorbed by the alkane gas and the physical mechanism of the adsorption on the graphene-like two-dimensional molecular devices; (3) improving the alkane gas sensitizing by changing the microscopic details between the alkane gases and the two-dimensional materials or by the doping , replacement, molecular tailoring on the graphene-like two-dimensional materials. The above studied conclusions can offer the structural models and performance parameters for the real design of the gas-sensing molecular devices.

类石墨烯材料如硅烯、黑磷、过渡金属二硫化物等都是在一个维度上维持纳米尺度，而在二维平面内具有无限重复的周期平面结构。此类材料具有很高比表面积，同时其电子结构和输运性质极易受到周围环境中气体的影响，因此其气敏性能受到广泛关注。基于前期研究工作基础，本项目利用密度泛函理论和第一性原理相结合的方法，研究以甲烷为代表的烷烃气体吸附对类石墨烯平面材料电子结构及电子输运性质的影响。重点研究：(1)气敏反应过程后烷烃气体以及类石墨烯平面材料的微观原子和电子结构信息。(2)对比烷烃气体吸附前后的类石墨烯平面材料电子输运性质差异，分析不同烷烃气体的敏化机理并给出最根本的物理解释。(3)通过改变烷烃气体与类石墨烯平面材料吸附的微观细节，或通过对类石墨烯平面材料实施掺杂、取代、分子裁剪、或构筑异质结等手段提高材料对烷烃气体的敏化效果。为实际制备先进的气敏传感器件提供系统的结构模型和性能参数。

类石墨烯材料如硅烯、黑磷、过渡金属二硫化物等都是在一个维度上维持纳米尺度，而在二维平面内具有无限重复的周期平面结构。此类材料具有很高比表面积，同时其电子输运性质极易受到周围环境中气体的影响，因此其气敏性能受到广泛关注。基于前期的研究工作基础，本项目利用密度泛函理论和第一性原理相结合的方法研究以甲烷为代表的烷烃气体吸附对类石墨烯平面材料电子结构及电子输运性质的影响。项目前期开展了基于二维材料的功能电子器件的设计和模拟工作，研究了过渡族金属硫化物面内接触与面外接触下1T/2H异质结处的能带对齐并且模拟计算了面内接触肖特势垒晶体管的工作性能；研究单层GeSe材料在外界应力条件下的能带变化，同时还研究了其纳米带随边界种类和宽度变化的电子结构信息。利用锯齿边的黑磷纳米带设计出具有高整流比的PN结器件。研究了四种过渡族金属硫化物以及Janus相WSeTe面内接触肖特势垒晶体管在不同尺寸下的工作性能。采用第一原理计算研究了不同边缘钝化的砷烯纳米带的电子结构。此外，研究了在砷烯纳米带不同位置引入缺陷对其电子输运性质的影响。随后开展了以甲烷为代表的烷烃气体以及其他气体吸附在类石墨烯二维材料表面对上述基于二维材料的功能器件电子输运的影响研究工作，探索了以甲烷为代表的烷烃气体以及其他气体在二维材料表面的吸附细节以及调控电子输运的物理机理，发现了铁原子吸附二维蓝磷烯在磁性条件下对甲烷吸附具有很好的能带调节响应，有望制备成甲烷气敏传感器件。部分研究成果发表在Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces、Phys. Rev. B、J. Phys. Chem. C、Org. Electron.、Phys. E等国际知名SCI期刊。其他研究成果已经整理完毕，正在陆续投稿之中。上述成果为实际制备气敏传感器件以及设计基于二维材料的功能电子器件提供系统的结构模型和性能参数。