QuantumATK 低维电子材料与器件合集（七）

基于 WTe₂ 单层的超灵敏、可回收 FET 型有毒气体传感器

场效应晶体管（FET）型气体传感器因其功耗低、灵敏度高而吸引了大量研究人员的关注。然而，对其传感能力和内在机理的理论探索仍然十分匮乏。本文以单层纯 WTe₂ 和缺陷 WTe₂ 为传感平台，利用第一性原理计算和统计热力学模型，系统地研究了 FET 型气体传感器对 SO₂、CO、NO、NH₃ 和 NO₂ 等多种有害气体的传感特性和工作原理。研究结果表明，基于纯 WTe₂ 的 FET 型气体传感器在零栅压下工作时，对 NO₂ 的检测具有极高的灵敏度和重复使用性，在 20 ppb 低浓度下的灵敏度达到 96%。引入 Te 空位是一种高效的策略，可以提高气体传感器对所有测试有毒气体的灵敏度，同时确保其可重复使用性。在基于纯 WTe₂ 的 FET 型气体传感器上施加栅压可进一步提高其对 NO₂ 的灵敏度，在整个偏压范围内超过 90%，在 3 V 栅压下达到 97%。本研究为实现 ppb 级浓度有毒气体的超灵敏和可回收检测提供了一种前景广阔的方法。

• Journal of Materials Chemistry A, 2024, 12(39): 26951-26961. DOI :10.1039/D4TA02739F

金修饰的黑磷：氮氧化物去除剂和氢传感器

有效检测有毒气体和清洁能源氢气是工业生产和日常生活的迫切需要。本文通过密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，从理论上研究吸附/掺杂金的黑磷单层对六种不同气体（CO、H₂、H₂S、NO、NO₂ 和 SO₂）的传感特性。计算得出的吸附能、电荷转移、电子局域函数、能带结构和态密度表明，吸附/掺杂金的黑磷对氮氧化物气体表现出敏感的化学吸附。而令人惊讶的是，掺杂金的黑磷对 H₂ 分子表现出敏感的物理吸附。计算得出的恢复时间和电流电压曲线表明，吸附/掺杂金的黑磷器件是一种超灵敏（灵敏度为 71%-100% ）的氮氧化物分子去除器。更重要的是，掺杂金的黑磷传感器可在室温下实现对 H₂ 的高灵敏度（灵敏度为 85%）、选择性和可重复使用性（恢复时间为 0.01 ns）检测。本研究结果为吸附/掺杂金的黑磷在气体传感领域的潜在应用提供了理论依据，尤其是在理想的氮氧化物去除剂和 H₂ 传感器方面。

• Applied Surface Science, 2024, 651: Article 159194. DOI:10.1016/j.apsusc.2023.159194.

利用新型二维五边形 Pd₂P₂SeX（X= O、S、Te）pin 结纳米器件设计高性能场效应、应变/气体传感器：传输特性研究

在现代纳米器件领域，获得高开关性能并在高精度环境中实现传感检测功能至关重要。二维（2D）Pd₂P₂SeX（X = O、S、Te）具有优异的几何、物理和化学特性，可以结晶成具有间接带隙的正交结构。基于这些基本特性，通过第一性原理对二维 Pd₂P₂SeX pin 结器件进行建模以模拟场效应晶体管、高开关比应变传感器和基于化学吸附的气体传感器。Pd₂P₂SeX pin 结器件表现出显著的栅极电压电流控制能力，Pd₂P₂SeO 的电流变化幅度接近三个数量级。此外，施加双轴应变可关闭 Pd₂P₂SeX 的带隙并显著增强传输特性，从而在器件中产生巨大的开关效应，例如 Pd₂P₂SeS 的开关比为 1.44 × 10⁸。NO 和 NO₂ 的化学吸附产生了界面电子耦合，产生了跨越费米级的杂质带，从而诱导了从半导体到金属的转变。基于 Pd₂P₂SeO- 和 Pd₂P₂SeS 的pin结器件在检测 NO 和 NO₂ 时的恢复时间分别为 49.01 秒和 23.80 秒。因此，它们可用作高灵敏度和高选择性气体传感器。总之，二维 Pd₂P₂SeX 材料在开发低维电子器件方面具有巨大潜力。

• Journal of Alloys and Compounds, 2024, 977: Article 173417. DOI:10.1016/j.jallcom.2024.173417.

基于栅极可调双层 In₂Se₃ 的室温气体传感器:对 NO、NO₂ 和 NH₃ 具有超高灵敏度和选择性

开发高灵敏度和高选择性的气体传感器对于环境监测应用至关重要。本研究利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法系统地研究了双层 In₂Se₃ 的电子结构和电荷传输特性。第一性原理计算表明，双层 In₂Se₃ 在层间和底层位点均表现出对 NH₃ 的强吸附，且具有化学吸附特性。值得注意的是，NO、NO₂ 和 NH₃ 在底层的计算恢复时间分别为 3.75 × 10^-4 秒、2.33 × 10^-9 秒和 27.9 秒，表明其恢复迅速且完全，这对于传感器的可重复使用性至关重要。基于双层 In₂Se₃ 设计的场效应晶体管气体传感器在模拟中展现出色的栅极可调传感特性。在零栅压下，该器件对 NO₂ 和 NH₃ 的检测灵敏度分别达到 163% 和 108%。栅压调控显著增强了传感性能，在 2 V 栅压下对 NO 的响应增加到 101%，比零栅压时提高了 2.6 倍。更重要的是，在 3 V 栅压下，该传感器对 NO₂ 表现出卓越的选择性，其响应远超 NO 和 NH₃。这些发现证实了双层 In₂Se₃ 在高性能气体传感方面的应用，并为设计具有栅压可调选择性和超高灵敏度的环境传感器开辟了新途径。

• Langmuir, 2025, 41(45): 30468-30478. DOI: 10.1039/d4nr05321d

电场对 MoS₂ 中 CO₂ 吸附和电子输运的影响：面向 FET 基气体传感器

二维（2D）材料是气体传感有希望的候选者，但实现选择性 CO₂ 传感仍然具有挑战性。本文将密度泛函理论和非平衡格林函数计算相结合，研究了电场强度变化如何调节表面吸附和单层 MoS₂ 内的量子输运。在所研究的 6 种气体（CO、CO₂、CH₄、O₂、N₂ 和 H₂O）中，只有 CO₂ 在电场作用下由物理吸附转变为化学吸附，结合更强。相反，N₂ 和 O₂ 解吸，使 CO₂ 选择性吸附。在较高的 CO₂ 覆盖率下，电场增强了吸附稳定性，但不能完全防止饱和。进一步探索在栅极感应场下使用 MoS₂ FET 检测 CO₂。电流灵敏度从 1 个吸附分子的 1.7% 上升到 5 个吸附分子的 64.3%，而恢复时间缩短。这些结果阐明了电场在调节二维半导体表面吸附和电荷输运中的作用，为基于 FET 的气体传感器的设计提供了支持。

• Surfaces and Interfaces, 2025, 75: Article 107755. DOI:10.1016/j.surfin.2025.107755.

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