بخشی از مقاله
چکیده
گزارش های اخیر در مورد ساخت فسفرن یک لایه یا چند لایه، چشم انداز هیجان انگیزی از این ماده دو بعدی را نشان می دهد که خواص عالی برای کاربردهای نانوساختار دارد. در این پژوهش ما ابتدا با استفاده از محاسبات اولیه، جذب مولکول های CH4، NH3 و H2S برروی یک لایه فسفرن یکنواخت را مطالعه می کنیم. نتایج ما عملکرد برتر سنسور فسفرن را که با دیگر مواد 2 بعدی مانند گرافن و MoS2 رقابت می کند و یا حتی در برخی از گازها بالاتر از آن ها می باشد را پیش بینی می کند.
ما موقعیت جذب مطلوب این مولکول ها در فسفرن را تعیین و شناسایی مولکولی دوپینگ، یعنی انتقال بار بین مولکول ها و فسفرن را به عنوان یک مکانیسم برای قدرت جذب بالا معرفی می کنیم. در این کار ما رابطه نسبت جریان درین-ولتاژ گیت را با استفاده از رابطه NEGF 1 برای غلظت های متفاوت گاز بر روی فسفرن محاسبه کردیم. ویژگی های انتقالی ناهنجاری های بزرگ در جهت آرمچیر فسفرن نشان می دهد، که با ساختار باند بی نظیر الکترونیکی فسفرن سازگار است به صورتی که تغییر قابل ملاحظه ای، در نمودار I-V با توجه به اضافه شدن مولکول های گاز نشان می دهد. این حساسیت به جذب باعث می شود فسفرن یک سنسور فوق العاده گاز باشد و برای کاربردهای الکترونیکی نوید یک ماده فوق العاده را بدهد.
-1 مقدمه
پس از کشف گرافن، تلاش های زیادی برای تهیه و بررسی مواد 2 بعدی تک لایه و چند لایه کاربردی انجام شده است که برای طیف وسیعی از برنامه های کاربردی مورد استفاده قرار می گیرند.[1] مواد 2 بعدی مانند سیلیسن، ژرمانن و 2TMD MoS2 - ، WSe2 و غیره - به علت نسبت سطح به حجم ذاتی بالا، تحرک زیاد آنها و عملکرد مکانیکی عالی که در مواد بالک یافت نمی شود
توجه فراوانی برای کاربردهای سنجش گاز به خود معطوف کرده اند و توانسته اند بر برخی از نقایص معمول در سنسورهای گاز معمولی غلبه کنند. با این حال، استفاده از این مواد محدودیتهایی از جمله کاستی های ذاتی مانند عدم شکاف باند در گرافن و تحرک نسبتا کم در MoS2 دارد، که انگیزه کار مداوم در جستجوی مواد 2بعدی جدید با ویژگی هایی که ممکن است منجر به عملکرد خاص بهتری شوند را بیشتر کرده است
کشف و جداسازی فسفر سیاه تک لایه که فسفرن نیز نامیده می شود، با توجه به باند گپ مستقیم و طبیعت نوع p خود دیدگاه های جدید در استفاده از مواد 2 بعدی در برنامه های کاربردی الکترونیکی سنجش گاز را باز کرده است8]؛.[6 فسفرن یک ماده لایه ای است که در آن لایه های اتمی با تعاملات واگن وار و ضعیف، مرتب شده اند . هر اتم فسفر به صورت کووالانسی با سه اتم فسفر همسایه پیوند داده می شود تا ساختار لانه زنبوری ایجاد شود. فسفرن دارای مزیت قابل توجهی نسبت به گرافن نیمه فلزی است؛ زیرا این ماده یک شکاف محدود و مستقیم در محدوده انرژی را نشان می دهد فاصله باند انرژی فسفرن را می توان از 0/3 الکترون ولت برای فسفر سیاه بالکی تا 2 الکترون ولت برای فسفرن یکپارچه تنظیم کرد
بدین ترتیب، فسفرن یک ماده وابسته به لایه است که دارای ویژگی های مختلف است. همچنین این ماده تحرک حامل - حدود - 1000cm2 / v · s بهتری نسبت به سایر نیمه هادی های 2بعدی معمولی مانندMoS2 - حدود - 200 cm2 / v · s دارد. ترانزیستور اثر میدان چند لایه فسفرن با تحرک بالای بار،فرکانس های عملکرد بالا و نسبت نسبتا بالای on/off، فسفرن را یک نامزد بالقوه برای سنسورهای گاز معرفی می کند
اخیرا مشخص شده است که فسفرن دارای عملکرد سنجش بیشتری نسبت به گرافن و MoS2 در هنگام قرار گرفتن در معرض برخی از گازها دارد. سنجش مولکول های گاز ، به ویژه گاز کاهش دهنده - CH4، NH3 و - H2S که می توانند گازهای سمی باشند و بر سلامت انسان و آلودگی محیط زیست تاثیر بگذارند بسیار مهم است. گاز کاهش دهنده یک گاز با اکسیداسیون کم - یا کاهش زیاد - است و معمولا غنی از هیدروژن است. از جمله گازهای کاهش دهنده مهم متان، آمونیاک و سولفید هیدروژن هستند.
مطالعات بسیاری بر روی میزان تاثیر گازهای مختلف بر روی فسفرن انجام گرفته است. پژوهش های اخیر حساسیت قوی گاز برای فسفرن، به ویژه برای گازهای NOX نشان می دهد11]؛.[10 همچنین تحقیقاتی توسط Qun Yang و همکارانش برای سنجش میزان جذب گازهای CO2 و CO بر روی فسفرن با ناخالصی انجام شده است. در مطالعات اخیر بصورت تئوری اثر برخی از گازهای کاهش دهنده بر روی فسفرن بررسی شده است
این مطالعه بر روی گازهای مهم کاهش دهنده ی متان، آمونیاک و سولفید هیدروژن که از مهمترین گازهای های آلاینده هستند، تمرکز دارد. در بسیاری از مطالعات به بررسی عملکرد بالقوه ماده جدید 2بعدی، فسفرن و میزان جذب گاز های طبیعی بر روی این ماده پرداخته شده است. از سوی دیگر، از زمان کشف آن بیشتر مطالعات انجام شده روی فسفرن بر تاثیر گاز بر روی مشخصه ای الکتریکی متمرکز شده است و مطالعات کمی در مورد تاثیر گازهای مهم کاهش دهنده ، میزان غلطت گاز و همچنین حالت های نشستن مولکول این گازها بر روی ویژگی های الکترونیکی وجود دارد .
هدف ما این است که این شکاف را با استفاده از شبیه سازی های مولکولی و تحلیل آن ها توسط متودهایی مانند DFT3 پر کنیم. ما ابتدا مقادیر مناسب انرژی مربوط به ساختار را تعیین می کنیم سپس به بررسی حالات مختلف گاز و میزان غلطت گازها می پردازیم. و در انتها میزان تاثیر این گازها را بر روی مشخصات الکترونیکی ساختار بررسی می کنیم.
-2 روش محاسبه
ساختار ریلکس و محاسبه مشخصه های الکترونیکی با استفاده از اصول اولیه محاسبات و بر اساس تئوری تابع چگالی بدست آمده است. در این مقاله، تمام ساختارها ریلکس شده و محاسبات الکترونیکی با استفاده از نرم افزار کوانتوم اسپرسو انجام گرفته است.
همانطور که در محاسبات نظری قبلی نشان داده شده است، عملکردهای اصلاح شده گرادیان - GGA4 - بصورت کامل تعامل ون در والس را در نظر نمی گیرد و درنتیجه در محاسبات انرژی جذب کمتری بدست می آید. در مقابل، LDA5 به نظر می رسد برای مطالعه سیستم های با تعامل ضعیف مناسب تر است، کارهای قبلی ثابت کرده است که LDA دقیقا خواص نانومواد و تعامل آنها با مولکول های گاز را به طور دقیق توصیف می کند. بنابراین، LDA در کار ما نیز استفاده می شود.
EXP6 نیز بوسیله معادله LDA تقریب زده شده است. ساختار یک سوپر سل 3×6 با ابعاد 9/941×26/258 است و با تکرار سول واحد3/3136×4/3763 بدست آمده است و یک فضای خالی 20 انگسترمی برای راستا y برای جلوگیری از برهم کنش لایه ها در نظر گرفته شده است. برای نشان دادن عملکرد تابع موج از 7DNP استفاده کرده ایم. بعلاوه ماکسیمم فورس کمتر از 0,02 است و یک 10*1*8 k point برای این کار در نظر گرفته شده است. در این کار ما رابطه نسبت جریان درین-ولتاژ گیت را با استفاده از رابطه NEGF برای غلظت های متفاوت گاز بر روی فسفرن محاسبه کردیم.
-3 نتایج و بحث
در ابتدا برای هر مورد جذب، یک مولکول در نزدیکی لایه فسفرن قرار می گیرد و کل سیستم کاملا ریلکس شده است. ما تمام ساختارهای ریلکس شده را با جاذب مولکولی مختلف در شکل 1 ارائه می کنیم. هر سه مولکول متان، آمونیاک و سولفید هیدروژن در حالت های مختلف به یکی از اتمهای فسفر در ساختار لانه زنبوری در لایه بالایی فسفرن به منظور بدست آوردن بالاترین انرژی جذب نزدیک شده اند که از 7 حالت امتحان شده 3 حالت انتخابی بر حسب قدرت جذب بالاتر در شکل 1 الف-ج نشان داده شده است.
شکل :1 به ترتیب نمای بالا - الف -ج - و نمای جانبی - د - و - مدلهای ساختاری کاملا ریلکس شده از فسفرن با گازهای جذب شده متان، آمونیاک و سولفید هیدروژن.
