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新型正交相BN单层半导体有毒气体吸附性能及电输运性能的理论研究

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赵俊, 姚璨, 曾晖. 新型正交相BN单层半导体有毒气体吸附性能及电输运性能的理论研究[J]. 物理学报, 2024, 73(12): 126802-1. doi: 10.7498/aps.73.20231621
引用本文: 赵俊, 姚璨, 曾晖. 新型正交相BN单层半导体有毒气体吸附性能及电输运性能的理论研究[J]. 物理学报, 2024, 73(12): 126802-1. doi: 10.7498/aps.73.20231621
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Jun Zhao, Can Yao, Hui Zeng. Theoretical study of adsorption properties and electrical transport performance of toxic gas molecules on novel orthorhombic BN monolayer semiconductor[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(12): 126802-1. doi: 10.7498/aps.73.20231621
Citation: Jun Zhao, Can Yao, Hui Zeng. Theoretical study of adsorption properties and electrical transport performance of toxic gas molecules on novel orthorhombic BN monolayer semiconductor[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(12): 126802-1. doi: 10.7498/aps.73.20231621
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新型正交相BN单层半导体有毒气体吸附性能及电输运性能的理论研究

  • 1.

    南京邮电大学理学院, 南京　210023

  • 2.

    南京理工大学微电子学院, 南京　210094

    • 通讯作者: E-mail: zhaojun@njupt.edu.cn.;  E-mail: zenghui@njust.edu.cn.

  • 中图分类号: 68.43.-h, 63.20.dk, 72.90.+y, 07.07.Df

Theoretical study of adsorption properties and electrical transport performance of toxic gas molecules on novel orthorhombic BN monolayer semiconductor

  • 1.

    School of Science, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China

  • 2.

    School of Microelectronics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China

    • Corresponding authors: E-mail: zhaojun@njupt.edu.cn.;  E-mail: zenghui@njust.edu.cn.

  • MSC: 68.43.-h, 63.20.dk, 72.90.+y, 07.07.Df

  • 摘要: 低维材料表面的有毒气体吸附一直是分子传感器领域的研究热点. 最近的新型正交相二维BN单层半导体材料引起了学者的广泛关注. 基于第一性原理计算, 本文研究了有毒气体分子(CO, H2S, NH3, NO, NO2和SO2)在二维正交相BN单层表面的吸附特性. 吸附能计算表明, 正交相BN材料对所有气体的吸附均是能量有利的放热过程.NO2和NH3为化学吸附, 其他体系均为物理吸附, 且NO吸附后体系具有自旋极化的电子能带结构. 态密度计算结果显示, NO2和SO2的吸附对费米能级附近的电子占据有显著影响.NO2吸附后, 体系的功函数和电子结构特性均明显改变, 表明BN单层半导体材料对NO2分子具有良好的吸附选择性和探测灵敏度. 采用第一性原理结合非平衡格林函数方法计算了纳米电子器件的输运性能. 在1 V偏压下, NO2分子的吸附可使体系电流增大到6500 nA, 显著增强了BN单层半导体器件的电输运性能, 因此二维BN单层对NO2气体吸附具有优异的探测敏感度. 此外, 轴向应力能够有效调控体系的吸附性能. 研究表明, 正交相BN单层材料对有毒气体具有优异的吸附性能, 在新型有毒气体传感探测器件领域有较大的应用潜力.
    Abstract: The adsorption properties of toxic gases on the surface of low-dimensional nanomaterials are a research hot topic and key issue for developing semiconductor sensors to detect toxic gas molecules. Recently, a novel orthorhombic BN monolayer has attracted extensive attention from researchers. Using first principles calculations, we investigate the adsorption properties of typical toxic gas molecules, such as CO, H2S, NH3, NO, NO2, and SO2 molecules, on the surface of two-dimensional (2D) orthorhombic BN monolayer adsorption. The calculated adsorption energy show that the adsorptions of the above six molecules on the surface of BN monolayer are energy-favorable exothermic processes. It is found that NO2 and NH3 molecules are of chemical adsorption, while other systems are of physical adsorption, and NO adsorbing system exhibits a spin-polarized electronic band structure. The calculated density of states reveals that the adsorption of NO molecule and SO2 molecule have significant influences on the electronic structure near the Fermi level. Moreover, the adsorption of the NO2 molecule on the substrate exhibits remarkable variation of the work function, suggesting that the o-BN monolayer possesses excellent selectivity and sensitivity to NO2 molecule. In addition, we use first principles combined with non-equilibrium Green’s function to simulate the electrical transport properties of monolayered o-BN semiconductor based nanodevice with adsorption of typical toxic gas molecules. The I-Vb curve shows that the current through the nanodevice is 6500 nA for the NO2 molecule adsorbing system under 1 V bias voltage. The calculation results reveal that the adsorption of NO2 molecule on the o-BN monolayer can significantly enhance its electrical transport performance, and the o-BN monolayer possesses excellent sensitivity and selectivity to the NO2 gas molecule. The work function and the charge transfer can be effectively manipulated by tensile strain, indicating its potential application in anisotropic electronics. Our results indicate that the o-BN monolayer has excellent adsorption performance to toxic gases, showing its practical application in capturing toxic gas molecules as a gas sensor in future.
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  • 图 1  正交相BN单层原子结构球棍模型的顶视图和侧视图. 绿球和银球分别表示B原子和N原子, 对于气体分子吸附问题, 分子分别放置在3种不同的初始位置(T1, T2, H1), 图中T1和T2分别表示N原子和B原子的顶位, H1表示在六元环中心的空位

    Figure 1.  Top view and side views of optimized structure of the pristine BN monolayer. Green and silver balls indicating B and N atoms, respectively. Three different absorption sites are considered, namely, T1, T2, H1, and the gas molecules are initially at these sites. T1 and T2 represent the top sites above the N and B atom, respectively, and H1 represents the hollow site.

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    图 2  纳米电子器件模型示意图, 它包含左电极、右电极和中心散射区. 左右电极与中心区域无缝连接, 中心区域分子的吸附会对器件的电输运性能产生影响

    Figure 2.  Schematic demonstration of the nanodevice consisting of left-, right-electrode and the central region. The left and right electrodes are seamlessly connected with the central region, and the molecule adsorption at the central region will have impacts on the electrical performance of device.

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    图 3  理想o-BN单层材料的电子结构　(a) 能带结构; (b) 态密度; (c)平均静电势分布

    Figure 3.  Electronic structure of the pristine o-BN monolayer: (a) Band structure; (b) the density of states; (c) the averaged potential of the pristine BN monolayer.

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    图 4  气体在单层o-BN上稳定吸附构象的俯视图和侧视图　(a) CO; (b) H2S; (c) NH3; (d) NO; (e) NO2; (f) SO2; 绿色、银色、棕色、红色、白色、黄色球分别表示B, N, C, O, H和S原子

    Figure 4.  Top and side views of the most stable adsorption sites for (a) CO, (b) H2S, (c) NH3, (d) NO, (e) NO2 and (f) SO2 molecules adsorbed on the monolayered BN. The green, silver, brown, red, white, yellow balls indicate B, N, C, O, H and S atoms, respectively.

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    图 5  o-BN吸附气体后的能带图　(a) CO; (b) H2S; (c) NH3; (d) NO; (e) NO2; (f) SO2; (d)中红色线和蓝色线分别表示自旋向上和向下子能带

    Figure 5.  Electronic band structures for (a) CO, (b) H2S, (c) NH3, (d) NO, (e) NO2 and (f) SO2 on o-BN. The red and blue lines in panel (d) indicate spin up and down, respectively.

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    图 6  o-BN单层吸附气体分子的差分电荷密度的俯视图和侧视图　(a) CO; (b) H2S; (c) NH3; (d) NO; (e) NO2; (f) SO2; 其中等值线为0.0005 e·Bohr–3, 黄色和青色分别表示电子聚集和电子耗尽的程度

    Figure 6.  Charge density difference contours for (a) CO, (b) H2S, (c) NH3, (d) NO, (e) NO2, and (f) SO2 adsorbed on the o-BN monolayer (0.0003 e·Bohr–3 is set for isosurface value). Yellow and cyan represent electron accumulation and electron depletion, respectively.

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    图 7  o-BN吸附气体后的态密度分布　(a) CO; (b) H2S; (c) NH3; (d) NO; (e) NO2; (f) SO2

    Figure 7.  Calculated densities of states (DOS) for the o-BN monolayer with (a) CO, (b) H2S, (c) NH3, (d) NO, (e) NO2 and (f) SO2 molecules adsorption, respectively.

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    图 8  吸附不同气体分子后o-BN体系的平均静电势分布　(a) CO; (b) H2S; (c) NH3; (d) NO; (e) NO2; (f) SO2

    Figure 8.  Average potential of the o-BN monolayer with (a) CO, (b) H2S, (c) NH3, (d) NO, (e) NO2, and (f) SO2 molecules adsorption, respectively.

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    图 9  o-BN单层材料吸附气体前后的功函数分布

    Figure 9.  Calculated work function of the o-BN monolayer with adsorption of different molecules.

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    图 10  (a), (b)气体分子吸附前后o-BN单层器件的$ I{\text{-}}{V}_{{\mathrm{b}}} $曲线, 图(b)中插图展示了NO2吸附的o-BN单层器件完整的$ I{\text{-}}{V}_{{\mathrm{b}}} $结果

    Figure 10.  Electrical performance of $ I{\text{-}}{V}_{{\mathrm{b}}} $ curves of (a) pristine o-BN monolayer device and (b) gas molecule adsorbed o-BN monolayer devices. The inset in panel (b) exhibits the $ I{\text{-}}{V}_{{\mathrm{b}}} $ curve of the NO2 adsorbed o-BN monolayer device.

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    图 11  o-BN单层对NO2气体吸附性能随单轴应力的变化　(a) 吸附距离; (b) 吸附能; (c) 功函数; (d) 电荷转移

    Figure 11.  Adsorption performance of BN-NO2 system as a function of uniaxial strain along x and y axis, respectively: (a) Adsorption distance; (b) adsorption energy; (c) work function; (d) electron transfer based on Bader analysis.

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    表 1  吸附能$ {E}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{d}}} $ (eV)、气体与衬底之间的距离d (Å)和电荷转移Q (e), 正值表示气体分子从o-BN衬底获得电子

    Table 1.  Adsorption energy $ {E}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{d}}} $ (eV), distances between gas and the substrate d (Å) and the charge transfer Q (e). The positive value means the gas molecule obtains electron from the BN substrate.

    $ {E}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{d}}} $/eV d/Å Q/e
    CO –0.151 2.999 0.032
    H2S –0.186 2.488 0.014
    NH3 –0.222 1.762 –0.102
    NO –0.258 2.284 0.133
    NO2 –0.893 1.679 0.780
    SO2 –0.380 2.922 0.165
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    表 2  气体在300—600 K之间吸附后的恢复时间τ(s)

    Table 2.  Recovery time τ(s) after gas adsorption ranging from 300 to 600 K.

    Gas
    molecule    		 Temperature/K
    300 400 500 600
    CO 3.44×10–11 7.99×10–12 3.33×10–12 1.85×10–12
    H2S 1.33×10–10 2.20×10–11 7.49×10–12 3.65×10–12
    NH3 5.36×10–10 6.26×10–11 1.73×10–11 7.32×10–12
    NO 2.16×10–9 1.78×10–10 3.98×10–11 1.47×10–11
    NO2 100.13 0.02 1.00×10–4 3.16×10–6
    SO2 2.42×10–7 6.13×10–9 6.76×10–10 1.55×10–10
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    表 3  气体分子吸附在o-BN单层后的功函数$ \varPhi $(eV)、功函数差$ {{\Delta }}\varPhi $(eV)和灵敏度S(%)

    Table 3.  Work function $ \varPhi~{\mathrm{(eV)}}$, work function difference $ {{\Delta }}\varPhi $ (eV) and sensitivity S (%) of the gas molecules adsorbed on the o-BN monolayer.

    Adsorbed gas $ \varPhi $/eV $ {{\Delta }}\varPhi $/eV S/%
    CO 4.141 0.032 0.78
    H2S 4.465 0.356 8.66
    NH3 4.203 0.094 2.29
    NO 4.103 –0.006 0.15
    NO2 5.366 1.257 30.59
    SO2 4.599 0.450 10.95
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-08
  • 刊出日期:  2024-06-20

新型正交相BN单层半导体有毒气体吸附性能及电输运性能的理论研究

  • 收稿日期:  2023-10-08

摘要: 低维材料表面的有毒气体吸附一直是分子传感器领域的研究热点. 最近的新型正交相二维BN单层半导体材料引起了学者的广泛关注. 基于第一性原理计算, 本文研究了有毒气体分子(CO, H2S, NH3, NO, NO2和SO2)在二维正交相BN单层表面的吸附特性. 吸附能计算表明, 正交相BN材料对所有气体的吸附均是能量有利的放热过程.NO2和NH3为化学吸附, 其他体系均为物理吸附, 且NO吸附后体系具有自旋极化的电子能带结构. 态密度计算结果显示, NO2和SO2的吸附对费米能级附近的电子占据有显著影响.NO2吸附后, 体系的功函数和电子结构特性均明显改变, 表明BN单层半导体材料对NO2分子具有良好的吸附选择性和探测灵敏度. 采用第一性原理结合非平衡格林函数方法计算了纳米电子器件的输运性能. 在1 V偏压下, NO2分子的吸附可使体系电流增大到6500 nA, 显著增强了BN单层半导体器件的电输运性能, 因此二维BN单层对NO2气体吸附具有优异的探测敏感度. 此外, 轴向应力能够有效调控体系的吸附性能. 研究表明, 正交相BN单层材料对有毒气体具有优异的吸附性能, 在新型有毒气体传感探测器件领域有较大的应用潜力.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 近年来, 随着工业的快速发展, 各种有毒气体分子对环境的污染日益严重, 研制高灵敏度、高选择性的新型电子器件来检测和捕获有毒气体分子至关重要. 自从石墨烯被成功制备以来, 二维材料因其独特的物理化学性质以及在纳米电子学和自旋电子器件领域的潜在应用而受到极大关注[1–3]. 最近的理论研究预测了III-V族六方相单层材料具有优异的气体传感性能[4–7]. 例如, BAs单层材料能够敏感地探测SO2气体, 是制造二氧化硫气体传感器的候选材料[8]. InN单层能够快速响应SO2和NO2分子[9]. GaAs单层材料对NO, NO2, NH3和SO2分子具有良好的选择性[10]. 此外, 徐强等[11]的计算结果表明二维黑磷砷是检测NO, NO2和SO2气体的良好气敏材料. Zhang等[12]梳理了近年来二维材料气体传感器件的制备、应用及挑战.

      最近, 研究人员从理论上提出了一种新型的III-V族二维正交相BN材料(o-BN), 其具有优异的动力学稳定性、热学稳定性和各向异性的光学吸收性能[13,14], 这也为其在光电子器件领域的实际应用奠定了基础. 密度泛函理论(DFT)计算表明, 正交相o-BN单层材料还具有良好的储氢能力[15], 是锂/钠离子电池电极的理想材料[16]. 目前, 大多数关于BN单层材料吸附性能的研究针对的是六方相BN (h-BN)材料. 理论计算表明过渡金属原子修饰的h-BN可以有效提高分子吸附的灵敏度和选择性[17–20]. 最近, 文献[21]报道了外电场下o-BN单层材料对4种有毒气体分子(H2S, NH3, SO2和NO2)的吸附性能. 众所周知, 一氧化碳是无色无味气体, 可以与人体血红蛋白结合引起缺氧中毒; 一氧化氮是无色无味但具有较强生理活性的毒性气体. 因此, CO和NO毒气分子的精准探测和准确预报也尤其重要[22,23]. 然而, o-BN单层材料对有毒气体分子吸附行为的系统性研究仍然非常匮乏. 本文系统地研究了o-BN单层材料对有毒气体分子的吸附, 具体包括CO, H2S, NH3, NO, NO2, SO2六种典型的有毒气体分子, 探索o-BN单层半导体在新型有毒气体分子传感器方面的应用潜力.

      本文采用DFT理论计算, 研究了CO, H2S, NH3, NO, NO2, SO2六种有毒气体分子在o-BN单层上的吸附特性, 包括各体系的稳定吸附位点和吸附结构、吸附能、电荷转移, 吸附前后o-BN单层材料的电子结构、态密度以及差分电子电荷密度. 此外, 我们估算了气体分子吸附的恢复时间和体系功函数变化, 并定量计算了分子吸附前后纳米电子器件的电输运性能. 研究表明, o-BN单层材料对有毒气体分子具有良好的吸附选择性和探测敏感度, 有望在捕获有毒气体分子及制备气体传感器方面有潜在的应用价值.

    2.   计算细节

    • 我们使用维也纳从头算模拟程序包(VASP)[24,25]进行了总能和电子结构计算. 模拟中使用了广义梯度近似和Perdew-Burke-Ernzerhof泛函[26]来处理电子-电子关联效应. 范德瓦耳斯相互作用采用Grimme[27]提出的DFT-D3泛函. 计算中采用了3 × 4 × 1晶胞组成的超晶胞来模拟理想的o-BN单层, 超胞包含了24个B原子和24个N原子. 如图1所示, T1, T2和H1是气体分子吸附前的初始位置, 分别表示N原子、B原子的顶位和六元环中心的空位. 此外, 应用周期边界条件时, 为了消除层间的相互作用, 层间距设为20 Å. 采用Monkhorst-Pack方案[28]的8×10×1网格进行态密度计算. 自洽迭代的收敛标准设置为能量小于10–6 eV, 作用在原子上的力小于10–2 eV/Å, 波函数的截断能设置为500 eV.

      恢复时间$ \tau $是气体传感器重要的性能指标. 恢复时间$ \tau $定义为传感器恢复到原始状态所需时间, 由如下方程[29]确定:

      式中, $ {\upsilon }_{0} $和$ {E}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{d}}} $分别为尝试频率(10–13 s–1)和吸附能[30], kB和T分别是玻尔兹曼常数和工作温度.

      分子在二维半导体上的吸附可能会对其功函数($ \varPhi $)产生显著影响[31,32]. 气体分子的吸附改变了体系的功函数, 用功函数的变化来评估二维半导体单层对气体分子的探测能力[33]. 功函数的定义是将一个电子从费米能级移动到真空能级所需的最小能量:

      式中, $ {E}_{{\mathrm{v}}{\mathrm{a}}{\mathrm{c}}} $和$ {E}_{{\mathrm{F}}} $分别是真空下的静电势能量和费米能级能量.

      受先前二维材料吸附气体分子电输运性能研究的启发[34], 通过模拟电流-电压($ I{\text{-}}{V}_{{\mathrm{b}}} $)特性, 本文研究了o-BN单层吸附有毒气体前后的电输运性能. 研究模型如图2所示, 左右两个电极通过半无限长的周期性边界条件与沟道区域无缝连接, 载流子输运沿着y轴方向, z轴为真空层方向.

      在有限偏压下, 采用Landauer公式计算通过器件的电流:

      其中, $ {\mu }_{{\mathrm{R}}} $和$ {\mu }_{{\mathrm{L}}} $分别是左电极和右电极的化学电势; $ {V}_{{\mathrm{b}}} $是偏压; $ T(E, {V}_{{\mathrm{b}}}) $是透射系数, 其是电子能量和偏压的函数; $ {f}_{{\mathrm{L}}/{\mathrm{R}}}(E, {V}_{{\mathrm{b}}}) $是左右电极的费米分布函数.

      通过密度泛函理论结合非平衡格林函数(NEGF)方法[35,36], 对整个体系进行了严格的处理. 这种方法需要在不同偏置电压下均进行自洽迭代计算, 从而获得自洽收敛的电荷密度, 再在此基础上计算电子器件的$I{\text{-}} {V}_{{\mathrm{b}}} $特性. 硼(B)和氮(N)原子均使用单精度极化(SZP)的基组. 电输运模拟中, 截止能量设置为3809 eV. 沿着载流子输运方向, 选用128个K点模拟输运性能. 在计算中, 电子温度设置为300 K.

    3.   结果与讨论

    • 图1给出了o-BN单层的优化稳定结构, 它是包含3×4×1个单胞的超胞结构. o-BN单胞的晶格常数为a = 4.564 Å和b = 2.493 Å, 这与文献[12]报道的结果吻合得很好. 为了研究吸附气体分子对o-BN体系电子结构的影响, 首先计算了理想的o-BN衬底的电子能带结构和态密度(DOS), 如图3(a), (b)所示. o-BN单层材料具有约0.63 eV的直接带隙, 这与之前的计算结果非常一致[13,14]. 值得注意的是, 与文献[14]对比发现, 由于本文使用超胞产生的能带折叠效应, o-BN单层的带边从Y点移动到$ \varGamma $点. 如图3(b)所示, 理想o-BN单层的价带顶(VBM)由N原子决定, 而导带底(CBM)主要由B原子贡献, 这也与文献[14]报道结果吻合. 此外, 图3(c)所示理想o-BN单层材料的平均静电势分布表明其功函为4.109 eV.

      对于吸附在o-BN单层上的6个气体分子, 能量上最有利的吸附位点及其最稳定吸附构象如图1和图4所示. 计算的吸附能$ {E}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{d}}} $ 、吸附距离(d)、电荷转移(Q)列于表1中. 不同的气体分子具有不同的吸附构象. 如图4所示, CO, NH3, SO2分子基本平行于o-BN单层表面. 相反, H2S, NO和NO2分子以垂直或倾斜取向被吸附. 相比于文献[37, 38]研究的硼烯表面的气体吸附结果, CO, NO, NO2和NH3吸附于o-BN单层的吸附距离更大. 值得注意的是, 在6种有毒气体中, H2S-BN的吸附能$ {E}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{d}}} $小于以前文献[39-46]报道的二维材料对H2S的吸附. 同时, NO, NO2和NH3气体分子的吸附结果($ {E}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{d}}} $和Q)小于其吸附在GaAs[34]单层材料上的结果.

      图4(a)表明CO分子在单层o-BN的表面是物理吸附, 吸附距离为3.00 Å. 与CO吸附类似, SO2分子也平行吸附于o-BN衬底, 吸附距离为2.92 Å. 本文定义吸附距离为气体分子和o-BN单层之间的最短距离. 对于H2S吸附, 两个H原子朝向o-BN单层, 距离减小到2.49 Å. 与H2S吸附的情况类似, NO分子的N原子朝向o-BN单层, 吸附距离为2.28 Å. 有趣的是, 由于NO2和NH3气体分子倾向于形成化学吸附, o-BN表面的B原子和NO2的N原子以及NH3的N原子分别形成化学键, 因此衬底表面呈现凸起. 这与之前报道的电荷转移在加速NH3脱氢催化过程中发挥重要作用非常类似[47]. 相应地, NO2和NH3的吸附距离显著降低至1.68 Å和1.76 Å.

      计算表明6种气体的吸附能($ {E}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{d}}} $)在–0.151—–0.893 eV之间. H2S, NH3, NO2和SO2四种气体分子的吸附能和文献[21]报道结果非常吻合. 吸附能为负值表明o-BN单层材料上的气体分子吸附过程均为能量有利的放热反应. NO2吸附表现出最小的吸附能(–0.893 eV), 说明NO2气体与o-BN单层间的吸附最稳定, 相互作用最显著. 通常吸附能为–0.5 eV或更低的体系对应着化学吸附[48–50], 这说明NO在o-BN表面倾向于形成化学吸附. 同时, NO2吸附具有最短的吸附距离和最显著的电荷转移. 研究发现NH3气体分子也具有非常小的吸附距离和中等的吸附能, 并且NH3的电荷转移(Q = –0.102 e)是所有分子吸附中唯一的负值. 因此, NH3气体作为施主将电子注入到单层o-BN衬底, 这与氨气分子呈现出弱碱性的物理化学性质是一致的. 其他5种气体均是氧化性分子, 它们与o-BN衬底发生相互作用后表现为从衬底得到电子, 特别是NO, NO2和SO2表现出较强的氧化性和化学活性, 因此电荷转移非常显著.

      图5展示了气体分子吸附后体系的能带结构. 图5(a)—(c)对应的CO, H2S和NH3气体分子的吸附结果说明吸附后体系的能隙基本不变, 吸附对o-BN单层费米能级附近的能带影响不大, 它们的VBM和CBM均位于$ \varGamma $点. 而NO, NO2和SO2这3种气体分子具有非常强的氧化性, 它们在BN表面的吸附会显著地改变电子结构. 例如, NO分子较强的化学活性和顺磁性使得吸附后的体系呈现出上下自旋可分辨的子能带特征. 分析认为这是由于一氧化氮中N原子的p轨道和衬底较强的轨道杂化作用, 这与Kumar等[46]研究的GeBi单层对一氧化氮分子吸附的结果非常类似. 此外, 一氧化氮与衬底之间强烈的轨道交叠使得导带能带呈现显著的自旋劈裂和能级的下移, 进一步降低了能隙. 二氧化氮是非磁和强氧化性分子, 它的吸附使得体系能隙关闭, 价带子能带穿越了费米能级, 表明该体系已从半导体转变为金属. 表1的计算结果揭示了二氧化氮分子吸附具有最短的吸附距离和最大的电荷转移, 而且二氧化氮作为受主从衬底获得电子, 使得体系的费米向下移动. 二氧化硫分子的吸附是在费米能级的上方引入了一条平带, 能隙降低为0.53 eV; 结合态密度的分析表明这个平带来自吸附分子的杂质带. 此外, 二氧化硫分子吸附也使得价带顶部能级的简并度降低, 特别是在波矢空间的X点表现特别明显. 能带的计算结果表明NO, NO2和SO2三种气体分子由于较强的氧化性使得体系费米能级附近的电子结构有较大改变, 揭示了o-BN单层对于NO, NO2, SO2气体分子吸附非常敏感, 在探测和捕获这几种有毒气体分子有着巨大的应用潜力.

      为了直观地展示气体分子吸附引起的电荷转移, 图6展示了所有分子气体吸附体系的差分电荷密度. 研究发现, 对于CO和H2S吸附体系, 气体分子和衬底之间的电荷转移没有其他体系显著. 与此形成鲜明对比的是, NH3, NO, NO2和SO2吸附体系电荷转移非常明显. NH3分子不同于其他气体, 它是作为施主向BN单层注入电子, 而其他有毒分子的氧化性使得它们扮演受主角色获得电子. 这些结果与表1中的数据非常吻合.

      图7给出的是吸附了不同气体分子的o-BN体系的态密度. 未吸附分子的理想o-BN单层材料的态密度如图3(b)所示. 气体分子在总态密度中的贡献是决定气体分子吸附行为的重要因素[51,52], 而费米能级$ {E}_{{\mathrm{F}}} $附近的电子占据状态对材料的电子性质有重要影响[53]. 研究表明CO, H2S, NH3, NO2和SO2气体分子在o-BN单层上的吸附均没有磁性特征, 而NO吸附后态密度具有自旋极化, 这与氧气吸附单蒽分子的情况类似[54]. 从图7(a)—(c)可以注意到, CO, H2S和NH3的吸附对$ {E}_{{\mathrm{F}}} $周围电子占据峰没有明显的影响. NN3分子化学吸附所形成的N—B键作用影响了o-BN衬底的深能级, 而对衬底费米能级附近的影响不显著. 在图7(d)中可以观察到NO气体分子吸附后体系展示了磁性, 计算表明该体系具有约1 μB的磁矩. 类似地, 吴洪芬等[55]的研究结果也报道了联苯烯单层与吸附的铁原子形成了稳定的化学键, 由此体系具有了非零磁矩. 此外, Cui等[56]的研究也证实单个NO气体分子吸附引入约1 μB的磁矩. 徐强等[11]研究发现单个一氧化氮在黑磷砷表面的吸附能够诱导0.83 μB的磁矩, 其磁矩在数值上有所降低; 这是由于一氧化氮分子仅1.79 Å的吸附距离使得氮原子和衬底的磷原子形成新的化学键. 从图7(e)可以看出吸附NO2后, 体系在$ {E}_{{\mathrm{F}}} $位置具有了非零的态密度, 表现出金属性质, 且–1.5至–1 eV能量范围内, NO2分子出现了明显的占据峰, 对吸附体系的总态密度贡献较大. 图7(f)显示SO2气体吸附后, 在0.5 eV附近出现了较强的电子占据峰, 这和图5(e)中的0.5 eV附近的杂质子带对应. 总体来说, NO, NO2和SO2气体分子对态密度分布产生了显著影响, 这与表1中列出的吸附能和转移电子一致, 也和图5(d)—(f)结果吻合.

      恢复时间$ \tau $是衡量气体传感器性能的一个重要参数. 根据(1)式, 计算了气体在300—600 K的温度范围内的吸附恢复时间, 结果如表2所列. 这些气体分子在o-BN上从300 K到600 K的恢复时间比在GaAs单层上的恢复时间短[21]. 除NO2外, 其余气体在室温下的吸附时间均小于1 μs. 可以发现, 恢复时间与工作温度呈反比, 这是因为较高的工作温度提供了额外的热能促进o-BN单层衬底上气体分子的脱附. 对于NO2吸附, 计算结果显示当工作温度从300 K升高到600 K, $ \tau $从100.13 s降低到3.16×10–6 s. 这表明单层o-BN在高温下的吸附脱附过程具有显著的可重复性. NO和SO2分子室温下的恢复时间分别为2.16×10–9 s和2.42×10–7 s, 表明单层o-BN可以快速响应它们的吸附. 对于CO, H2S和NH3分子, 它们的恢复时间短于1 ns, 这表明在脱附之前, o-BN单层很难探测和捕获到上述3种分子. 综合考虑可发现, 单层o-BN材料吸附NO2气体的过程具有相对合适的恢复时间, 因此可以成为室温下探测和捕获NO2气体的优良气体传感器的候选材料.

      表3总结了气体吸附结构的功函数, 吸附前后体系的功函数差($ {{\Delta }}\varPhi $), 以及o-BN单层材料吸附气体分子的灵敏度(S). 理想o-BN单层材料的功函为4.109 eV, 如图3(c)所示. 为直观比较不同体系间的功函数差异, 图8和图9展示了各体系的平均静电势能分布和功函数变化. 这里, $ {{\Delta }}\varPhi $和S的计算公式如下:

      图8中, 平均静电势分布中10 Å处的势阱源于o-BN单层材料, 而其右侧较小的势能下降则代表吸附的气体分子. 可以观察到, SO2吸附引起的势能下降最为明显, 而其他几种气体吸附引起的势能降落不太显著. 从图9可观察到, CO, NH3, NO分子吸附后体系的功函数非常接近理想的o-BN的功函数(4.109 eV), 根据表3, 它们的功函数变化值分别为0.032 eV, 0.094 eV和–0.006 eV.

      值得注意的是, NO-BN系统功函数的降低主要是由于o-BN单层材料和NO分子之间的电荷转移, 使得$ {E}_{{\mathrm{F}}} $增加, 同时诱导偶极矩引起的真空能级发生变化, 从而降低功函数. 相比于其他各体系, 计算出的NO吸附灵敏度S为0.15%, 达到了最小值. 而H2S-BN, NO2-BN和SO2-BN系统的功函明显增大, 特别是NO2吸附体系的功函数变化达到了1.257 eV. 功函数的增大表明电子更紧密地被限制在二维o-BN纳米材料表面内. 此外, NO2-BN和SO2-BN体系的灵敏度S分别为30.59%和10.95%. 研究结果表明o-BN单层是检测和捕获NO2及SO2气体分子的理想材料, 因此o-BN单层在毒性气体传感器领域有较强的应用潜力.

      我们还通过计算I -Vb 特性曲线研究了分子 吸附后o-BN体系的电输运特性, 如图10所示. 根据(3)式, 对透射系数$ T\left(E, {V}_{{\mathrm{b}}}\right) $进行积分可以得到一定偏压下通过电子器件的电流. 图10(a)显示, 当偏压$ {V}_{{\mathrm{b}}} $ ≥ 0.6 V时, 通过理想o-BN单层的电流显著增大, 该偏压数值与其能隙相对应. 与理想 o-BN单层相比, 吸附了CO, H2S, NH3, SO2气体分子后, 器件在相同偏压下的电流降低. CO和H2S分子吸附对I -Vb 特性的影响非常小, 这与这两种气体分子较小的电荷转移和较大的吸附距离是一致的. Kumar等[46]和Cui等[56]的研究结果也表明CO, H2S分子吸附对GeBi和MoSi2N4单层器件的I-Vb性能影响非常有限[46,56]. 二氧化硫分子吸附尽管减小了能隙, 但费米能级上方由于吸附引入的平带并不能改善输运性能. 特别地, NH3的吸附显著降低了o-BN体系的载流子输运性能, 分析认为是由于带边较大的定域态阻碍了载流子输运. NO和NO2的分子吸附显著提升了o-BN电子器件的输运性能, 吸附后器件的电导率显著提高, 这与MoSi2N4单层材料对NO和NO2的吸附结果完全一致. 对于NO分子吸附, 在0.45 V偏压下器件的电流迅速增大. 随着偏压进一步增大, 电流的总体趋势是持续增大, 但在0.6 V和0.9 V偏压附近也出现了负微分电导现象. 这可能是NO气体分子的氧化极限引起的[57], 氧化效应使电子器件具备了附加阻抗, 在较大偏压下由于氧化极限效应抑制了持续的电荷转移, 因此出现了电流降低和负微分电导. 对于NO2分子吸附体系, 0.4 V偏压下电流就呈现显著增加, 在1 V偏压下电流从1700 nA迅速增大到6500 nA, 表明吸附气体分子后器件的电输运性能显著增强. 因此, 单层o-BN半导体器件对于NO2气体分子的吸附反应非常灵敏, 这与SiAs衬底上吸附NO2的研究结果一致[34]. NO2引起的输运性能显著增强是由于该分子吸附具有最大的电荷转移和最小的吸附距离. 因此, 就器件的电输运性能变化幅度而言, o-BN单层电子器件对检测有毒气体NO2分子表现出优异的灵敏度和选择性.

      考虑到o-BN器件对检测有毒气体NO2分子表现出的优异的灵敏度和选择性, 进一步研究了单轴应力对o-BN材料吸附NO2气体的影响, 包括吸附能、功函数、吸附距离以及电荷转移量随应力的变化关系, 如图11所示. 单轴应力定义为: εx = (a－a0)/a0, 且εy = (b－b0)/b0, 其中, $ a $($ {a}_{0} $)和$ b $($ {b}_{0} $)分别表示沿x轴和y轴施加应力(不施加应力)时体系的晶格常数.

      从图11(a)可以看出, 沿x轴或y轴, 压缩应力对o-BN单层材料吸附NO2的距离影响较为显著, 而拉伸应力对吸附距离的影响不明显. 当$ {\varepsilon }_{x} $= –4%, $ {\varepsilon }_{y} $ = –4%时, 吸附距离分别为1.56 Å和1.63 Å. 随着压缩应力逐渐减小到0%, 吸附距离也逐渐增大至1.68 Å. 此后, 拉伸应力增大到4%, 而吸附距离基本维持在1.68 Å. 这主要是因为压缩应力对o-BN的结构影响较明显, 使其从平面变成了曲面, 而拉伸应力作用后, o-BN单层始终保持平面结构. 图11(b)给出了吸附能随单轴应力的变化曲线, 可以看到, 除了–4%和4%的应力外, 其他体系的吸附能均为负值, 即该吸附过程均为能量有利的放热过程. 而且无应力作用下的o-BN对NO2分子吸附最稳定, 吸附能绝对值达到最大值0.893 eV, 同时应力对体系吸附能的调控非常有效. 图11(c)显示的是单轴应力对o-BN单层吸附NO2功函数的影响. 沿x方向, 压缩应力下体系的功函数变化不如拉伸应力显著, 从5.380 eV缓慢减小到5.366 eV, 而后又快速增大到5.459 eV. 沿y方向, 压缩应力施加后体系的功函数变化则更为明显, 从5.543 eV快速减小到5.366 eV, 又缓慢增大到5.396 eV. 计算结果表明单轴应力可以有效调控体系吸附NO2气体的功函数. 图11(d)的电荷转移显示, 无论是施加压缩应力还是拉伸应力, 体系的电荷转移数都减小, 且最小值为x方向的–4%应力时的0.751 e以及y方向的4%应力时的0.743 e.电荷转移随应力的变化结果与文献[34]报道的SiAs吸附NO2气体相吻合. 电荷转移随应力的计算表明, 如果对o-BN器件施加比较小的应力, 其吸附NO2分子后的输运性能将下降. 通过分析应力下吸附了NO2分子的o-BN单层的吸附性能变化, 发现体系的几何结构、吸附能、功函数以及电荷转移都可以得到有效调控, 也预示了正交相的BN单层材料可用来探测和捕获NO2分子.

    4.   结　论

    • 本文研究了新型正交相o-BN单层材料对有毒气体CO, H2S, NH3, NO, NO2和SO2的吸附性能, 研究结果表明o-BN可以作为典型有毒气体传感器的候选材料. 理想的o-BN单层是带隙为0.63 eV的半导体, NO2分子的吸附距离非常近, 与其形成了化学键, 吸附能为–0.893 eV. 电荷转移计算表明NH3分子扮演施主角色向o-BN注入电子, 电荷转移数量为0.102 e. SO2分子吸附体系具有较低的吸附能(Ead = –0.380 eV)和明显的电荷转移量(Q = 0.165 e). 态密度和能带计算结果揭示了SO2分子吸附在费米能级上方0.5 eV引入了一个杂质态. o-BN单层半导体对于NO2气体的吸附敏感度为30.59%, 说明它在检测和捕获NO2分子方面有广阔的应用前景. 本文对吸附不同气体分子的o-BN单层半导体电子器件的电输运性能进行了模拟, 发现NO2吸附可以显著提升器件的输运性能, 增强体系的电导率, 因此o-BN单层材料对于探测有毒气体NO2的吸附表现出优异的灵敏度和选择性. 单轴应力作用于吸附了NO2的o-BN衬底后, 体系的吸附性能可以得到有效的调控. 研究结果为设计以o-BN半导体为基础的新型有毒气体传感器提供了理论参考.

    参考文献 (57)

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