فهرست

مطالعه حسگر گازی مبتنی بر فسفرین با استفاده از اصول اولیه

نشریه: زمستان ۱۳۹۷ - مقاله 1   صفحات :  295 تا 303



کد مقاله:
nm-593

مولفین:
سیدمحمدصادق سیدی: دانشگاه تهران - دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
مرتضی روشنکار: دانشگاه تهران - گروه الکترونیک
مهدی پورفتح: دانشگاه تهران - گروه الکترونیک


چکیده مقاله:

در این پژوهش، با استفاده از محاسبات مبتنی ‌بر نظریه تابع چگالی، جذب مولکول‌های گاز H2S، 3NH، CO، و NO بر روی فسفرین مورد مطالعه قرار می‌گیرد. مکان‌های بهینه‌ی جذب هر یک از گازها توسط لایه‌ی دو بعدی بررسی می شوند. هرچه انتقال بار بیشتری بین مولکول و فسفرین اتفاق بیفتد، مقاومت لایه نیز تغییر بیشتری می کند و لذا با محاسبه‌ی تغییرات مقاومت می توان گازها را تشخیص داد و غلظت آنها را بدست آورد. نتایج نشان می دهند که فسفرین بیشترین حساسیت را به گازهای مبتنی بر اتم نیتروژن و بخصوص مولکول گاز NO دارد. بمنظور بهبود عملکرد حسگر فسفرین، به مطالعه‌ی نقش کرنش در عملکرد حسگری آن پرداخته شد. مکان‌های بهینه‌ی جذب هر یک از گازها در کرنش‌های مختلف بدست‌ آمد و تغییرات انرژی جذب گازها در اثر اعمال کرنش شناسایی شد. نتایج تاثیر اعمال کرنش نشان می‌دهند که اعمال کرنش به تک‌لایه، قابلیت تفکیک گازها را بهبود می بخشد. در نهایت می توان گفت که عملکرد حسگر گازی فسفرین بدون کرنش و همچنین تحت کرنش قابل ‌قبول است و توانایی بالقوه‌ای در تفکیک گازها دارد.


Article's English abstract:

This work presents a comprehensive study on adsorption properties of H2S, NH3, CO, and NO on phosphorene, by employing first-principle calculations. The optimized atomic sites, directions and the associated adsorption mechanisms are carefully analyzed. Transfer of charge between the gas molecule and the layer modifies the layer’s resistance. Therefore, by evaluating the resistance variation, the concentration of gas molecules can be determined. The results indicate that nitrogen-based molecules especially NO, show the highest sensitivity among the studied gases. In addition, strain effects on sensor characteristics and adsorption behavior are investigated. The optimal locations for the absorption of the gases and the mechanism of absorption energy under various strain conditions are analyzed. The results indicate that sensitivity increases with strain and significantly improves the selectivity of the sensor. The results show that both strained and unstrained phosphorene are suitable candidates for sensitive gas sensing applications.


کلید واژگان:
مواد دوبعدی، فسفرین، حسگر گازی، انتقال بار، کرنش.

English Keywords:
Two-dimensional, phosphorene, gas sensor, charge transfer, strain.

منابع:
ندارد.

English References:
[1] K. Novoselov, A. Geim, S. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. Dubonos, I. Grigorieva, A. Firsov, “Electric field effect in atomically thin carbon films,” Science, 306, 666–669, 2004. [2] G. Bhimanapati, Z. Lin, V. Meunier, Y. Jung, J. Cha, S. Das, D. Xiao, Y. Son, M. Strano, V. Cooper, L. Liang, “Recent advances in two-dimensional materials beyond graphene,” ACS Nano, 9, 11509–11539, 2015. [3] J. Dai, M. Li, X. C. Zeng, “Group IVB transition metal trichalcogenides: a new class of 2D layered materials beyond graphene,” Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science, 6, 211–222, 2016. [4] D. Golberg, Y. Bando, Y. Huang, T. Terao, M. Mitome, C. Tang, C. Zhi, “Boron nitride nanotubes and nanosheets,” ACS Nano, 4, 2979–2993, 2010. [5] K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, T. F. Heinz, “Atomically thin MoS2: a new direct-gap semiconductor,” Physical Review Letters, 105, 136805, 2010. [6] L. Kou, T. Frauenheim, C. Chen, “Phosphorene as a superior gas sensor: selective adsorption and distinct I–V response,” The Journal of Physical Chemistry Letters, 5, 2675–2681, 2014. [7] K. Novoselov, A. Mishchenko, A. Carvalho, A. Neto, “2D materials and van der Waals heterostructures,” Science, 353, aac9439, 2016. [8] T. Das, J. H. Ahn, “Development of electronic devices based on two-dimensional materials,” FlatChem, 3, 43–63, 2017. [9] Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, M. S. Strano, “Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides,” Nature Nanotechnology, 7, 699, 2012. [10] G. Neri, “Thin 2D: the new dimensionality in gas sensing,” Chemosensors, 5, 21, 2017. [11] J. Sun, H. W. Lee, M. Pasta, H. Yuan, G. Zheng, Y. Sun, Y. Li, Y. A. Cui, “Phosphorene–graphene hybrid material as a high-capacity anode for sodium-ion batteries,” Nature Nanotechnology, 10, 980, 2015. [12] S. Han, R. Bhatia, S. Kim, “Synthesis, properties and potential applications of two-dimensional transition metal dichalcogenides,” Nano Convergence, 2, 17, 2015. [13] E. Reich, “Phosphorene excites materials scientists,” Nature, 506, 19, 2014. [14] H. Liu, A. Neal, Z. Zhu, Z. Luo, X. Xu, D. Tom?nek, P. Ye, “Phosphorene: an unexplored 2D semiconductor with a high hole mobility,” ACS Nano, 8, 4033–4041, 2014. [15] S. Cui, H. Pu, S. Wells, Z. Wen, S. Mao, J. Chang, M. Hersam, J. Chen, “Ultrahigh sensitivity and layer-dependent sensing performance of phosphorene-based gas sensors,” Nature Communications, 6, 8632, 2015. [16] L. Yang, A. Charnas, G. Qiu, Y. M. Lin, C. C. Lu, W. Tsai, Q. Paduano, M. Snure, P. D. Ye, “How important is the metal–semiconductor contact for Schottky barrier transistors: a case study on few-layer black phosphorus?,” ACS Omega, 2, 4173–4179, 2017. [17] W. Zhu, M. N. Yogeesh, S. Yang, S. H. Aldave, J. S. Kim, S. Sonde, L. Tao, N. Lu, D. Akinwande, “Flexible black phosphorus ambipolar transistors, circuits and AM demodulator,” Nano Letters, 15, 1883–1890, 2015. [18] Y. Deng, Z. Luo, N. J. Conrad, H. Liu, Y. Gong, S. Najmaei, P. M. Ajayan, J. Lou, X. Xu, P. D. Ye, “Black phosphorus–monolayer MoS2 van der Waals heterojunction p–n diode,” ACS Nano, 8, 8292–8299, 2014. [19] J. Pang, A. Bachmatiuk, Y. Yin, B. Trzebicka, L. Zhao, L. Fu, R. G. Mendes, T. Gemming, Z. Liu, M. H. Rummeli, “Applications of phosphorene and black phosphorus in energy conversion and storage devices,” Advanced Energy Materials, 8, 1702093, 2018. [20] S. Li, T. Wang, X. Chen, W. Lu, Y. Xie, Y. Hu, “Self-powered photogalvanic phosphorene photodetectors with high polarization sensitivity and suppressed dark current,” Nanoscale, 10, 7694–7701, 2018. [21] D. Sarkar, X. Xie, J. Kang, H. Zhang, W. Liu, J. Navarrete, M. Moskovits, K Banerjee, “Functionalization of transition metal dichalcogenides with metallic nanoparticles: implications for doping and gas-sensing,” Nano Letters, 15, 2852–2862, 2015. [22] Y. Yong, X. Su, H. Cui, Q. Zhou, Y. Kuang, X. Li, “Two-dimensional tetragonal GaN as potential molecule sensors for NO and NO2 detection: a first-principle study,” ACS Omega, 2, 8888–8895, 2017. [23] K. Milowska, J. Majewski, “Graphene-based sensors: theoretical study,” The Journal of Physical Chemistry C, 118, 17395–17401, 2014. [24] F. Schedin, A. Geim, S. Morozov, E. Hill, P. Blake, M. Katsnelson, K. Novoselov, “Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene,” Nature Materials, 6, 652, 2007. [25] B. Cho, M. Hahm, M. Choi, J. Yoon, A. Kim, Y. Lee, S. Park, J. Kwon, C. Kim, M. Song, Y. Jeong, “Charge-transfer-based gas sensing using atomic-layer MoS2,” Scientific Reports, 5, 8052, 2015. [26] J. Hong, S. Lee, J. Seo, S. Pyo, J. Kim, T. Lee, “A highly sensitive hydrogen sensor with gas selectivity using a PMMA membrane-coated Pd nanoparticle/single-layer graphene hybrid,” ACS Applied Materials



فایل مقاله
تعداد بازدید: 250
تعداد دریافت فایل مقاله : 66



طراحی پرتال (طراحی پورتال): آرانا نتورکطراحی پرتال (طراحی پورتال): آرانا نتورک