Pd和Ag掺杂InN的气体传感行为研究

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在气体传感领域,二维InN(Indium Nitride)单层材料是由三个In(Indium)原子和三个N(Nitrogen)原子相互错开构成的一个六原子环状平面结构相比其六方纤锌矿型体相结构具有更大的表面体积比,使得二维InN单层材料拥有更加丰富的物理与化学性质。为了增强本征二维InN单层材料的传感性能,对其掺杂过渡金属原子是一种有效的方法,从而优化二维InN单层材料的吸附与电子性质。由于贵金属Ag(Silver)与Pd(Palladium)原子对某些气体分子的吸附能力与化学反应速率较强。因此,本文将过渡金属Ag原子和Pd原子作为表面掺杂剂以增强二维InN单层的吸附与传感性能。在这项工作中我们探索了二维InN单层对环境有害气体(SO2与NO),以及易燃易爆炸气体(H2)的传感能力。基于第一性原理的密度泛函理论,通过对吸附系统的吸附能、能带结构、density of state(DOS)态密度(总态密度Total DOS与投影态密度Partial DOS)、电荷差分与bader电荷进行理论计算研究,主要分析吸附剂表面与吸附质分子之间的相互作用、禁带宽度与电荷转移强度。本文分别对比了过渡金属Ag原子和Pd原子分别单独掺杂InN单层与共掺杂InN单层的能带结构、电荷差分与bader电荷,分别吸附SO2、NO与H2分子的情况下,InN单层出现大量电荷转移导致体系电子结构发生显著变化,进而影响体系的其它属性。对于每个掺杂系统而言,温度约为400K时各体系的恢复时间和灵敏度表现优异。Ag-InN系统更加适合检测H2分子,Pd-InN系统检测SO2分子时性能最佳,过渡金属Ag原子与Pd原子共掺杂InN单层(Ag Pd-InN)检测H2分子时气敏性能较好。从每个气体分子角度看,检测SO2分子时,Pd-InN系统在三个系统中的电导率更高与电荷转移量更强。检测NO与H2分子时,共掺杂InN单层(Ag Pd-InN)比Ag原子单独掺杂InN(Ag-InN)单层灵敏度更高、恢复时间更短且吸附结构更加稳固。吸附H2分子系统中,Ag原子与Pd原子共掺杂InN体系在吸附方面Pd原子的催化作用较强,与Ag原子竞争中占据主导地位;电子性质方面Ag原子的催化作用较强,且在与Pd原子竞争中占据主导地位。Ag原子与Pd原子单独掺杂InN单层体系中不同掺杂含量的确可以改变吸附系统的物理与化学性质,值得一提的是共掺杂InN吸附H2分子体系随着掺杂含量的变化可以显著增强二维InN单层的N型导电能力或者P型导电能力。
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