传感器材料与器件的模拟【QuantumATK亮点文章】

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基于高导电碳纳米管/聚氨酯复合纤维的可穿戴式应变传感器

高导电性和可伸缩性纤维因其在柔性可穿戴电子设备中的潜在应用而受到越来越多的关注。羧基化碳纳米管(c-CNT)被涂覆在柔性纤维上,作为制造可穿戴式应变传感器的方便方法。然而,由于碳纳米管的石墨化结构在羧化过程中被破坏,碳纳米管的导电性降低。如何让 c-CNT 复合纤维具有高导电性仍然是一个重大挑战。此研究通过在聚氨酯(PU)纤维上涂覆金属离子连接的 c-CNT 来制备高导电纤维,以提高 c-CNT 之间的电子传输速率。由 Fe2+ 离子和羧基形成的金属配位结显著提高了 PU 的导电性 /CNT@Fe2+ 纤维(高达 72 S m−1). 密度泛函理论计算证明,这种高导电性是具有强电子态耦合的配位结促进电子输运的结果。由此产生的配位效应增强了碳纳米管之间的相互作用,使导电网络更加灵活。基于聚氨酯的应变传感器/CNT@Fe2+ 纤维具有高灵敏度(50% 应变下的规范系数为 36)、大应变范围、不明显的漂移和耐久性。纤维应变传感器成功地用于监测关节运动和面部表情。【Zaiyu Zhuang, et al. Nanotechnology 31 (2020) 205701】


应变和电场作用下小分子在GeP单分子膜上的可调吸附行为

作者使用第一性原理计算方法研究了 GeP 单层膜对小气体分子(CO、CO2、O2、H2O、NH3、NO 和NO2)的传感特性。根据计算的吸附距离、吸附能和电荷转移,作者发现 GeP 单层膜对 NO2 和 NO 分子最敏感,所有气体分子都作为受体从 GeP 单层膜中获得电子。NO2 分子的吸附能小于 NO 分子的吸附能,这意味着 NO2 更容易从 GeP 中解吸。不同的功函数变化也表明了在无氧环境中识别 NO2 和 NO 的可能性。此外,作者将单轴和双轴应变应用于 GeP 单层膜,发现较小的双轴压缩应变可以有效地提高基于功函数型传感器的 GeP 对 NO2 分子的灵敏度,而不会增加恢复时间。作者还讨论了外加垂直电场对 NO2 分子吸附性能的影响。负电场能显著提高 NO2-GeP 系统的吸附强度、电荷转移和功函数变化。结果表明,GeP单层膜是 NO2 气体传感器的潜在候选材料。【Niu Chunping et al. Applied Surface Science 520 (2020) 146257】


基于GeP单层膜的SF6分解气体传感器的第一性原理研究

作者采用第一性原理计算方法研究了 GeP 单层对四种 SF6 分解气体分子(H2S、SO2、SO2F2 和 SOF2)的传感特性。通过讨论计算的吸附能、电荷转移、功函数变化,结合电荷密度差和电子局部化函数分析,作者发现 GeP 单层膜对 SO2 分子表现出良好的吸附强度,电荷相互作用最强。SO2 吸附可以显著改变GeP单层膜的态密度(DOS)。此外,作者还研究了在双轴应变和外加电场作用下,SO2 分子在 GeP 单层膜上的吸附性能。结果表明,施加负电场可以显著提高 GeP 单层膜对 SO2 的敏感性。因此,GeP 单层膜是一种用于电力设备在线诊断的高灵敏度和选择性可调谐 SF6 分解气体传感器的潜在候选材料。【Wang D.W. et al. IEEE Sensors Journal 20(16) 2020, 8997-9003】


未掺杂和 B/N/Pt/Au/Pd 掺杂单壁碳纳米管作为光气传感器的研究:第一性原理分析

本研究了提出了一种新型碳纳米管传感器,用于检测作为化学试剂广泛使用的剧毒光气。所采用的第一性原理研究基于密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法。虽然原始的碳纳米管对光气的反应性较小,但近价态(B和N)和过渡金属(Pt/Au/Pd)掺杂的碳纳米管表现出很好的反应性,传感机制基于范德华相互作用的物理吸附现象。通过各种性质/参数评估传感机制,包括吸附能、电子性质、态密度、电荷转移、电输运(I-V)、恢复时间和灵敏度。与原始碳纳米管不同,掺杂碳纳米管对光气表现出显著的传感行为,尤其是从 I-V 特性可以看出过渡金属掺杂特别是金掺杂碳纳米管极大地降低了光气吸附的驱动电流,可作为检测的电子指纹。特别是,与其他所考虑的掺杂剂相比,掺钯的 CNT 表现出优越的传感性能,因为其 I-V 显著变化,Mulliken 电荷转移为 0.24e,灵敏度为 134.75%,恢复时间为 8.9 ns。因此,过渡金属(尤其是钯)掺杂的碳纳米管可用于设计基于碳纳米管的物理传感器,以检测各种工业中的光气,例如将光气用作化学战剂的国防部门,以及用作合成几种化学品前体的化学部门。【Sai Shirov Katta, et al. Applied Surface Science 588 (2022) 152989】


 
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