Ultratyndt halvledende ark, der viser gasfølsomme elektroniske egenskaber til meget følsomme gassensorer

Gasdetektorer, der er i stand til at registrere små mængder af forurenende stoffer, kan hjælpe med at overvåge luftkvaliteten bedre. Saudi-Arabiens King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) forskere har opdaget et todimensionelt elektronisk materiale, der udviser høj følsomhed over for gasmolekyler, såsom kuldioxid (CO2), nitrogenoxider (NOx) og ammoniak (NH3).

Atomisk tynde plader bestående af overgangsmetaller forbundet med kalkogenatomer, såsom svovl, selen og tellur, er alsidige alternativer til de mere konventionelle siliciumbaserede halvledere. Afhængigt af deres metalkomponent, disse overgangsmetal dichalcogenid monolag har båndgab - energibarrierer, der begrænser elektronstrømmen gennem et materiale - som kan indstilles til at ændre deres elektroniske egenskaber.

De unikke elektroniske egenskaber ved disse monolag har potentiale til at forbedre et væld af enheder, inklusive felteffekttransistorer, fotodetektorer og gassensorer.

Halvledende monolag har vist sig at være ideelle kandidater som gasfølende materialer, fordi de har et højt overflade-til-volumen-forhold. For eksempel, MoS2 er blevet inkorporeret i felteffekttransistorer for at detektere nitrogenmonoxid. Imidlertid, dens ydeevne er begrænset af dens relativt lave bærermobilitet eller af den hastighed, hvormed dens elektroner (eller huller) bevæger sig, når de udsættes for et elektrisk felt.

For at overvinde disse mangler, KAUST Professor Udo Schwingenschlögls team vurderede potentialet af platin-dichalcogenidet PtSe2 til brug i gasdetektorer via sofistikerede beregningsteknikker.

"Monolag PtSe2 viser eksperimentelt en høj bærermobilitet, hvilket kan være fordelagtigt for gassensing, sagde Schwingenschlögl, tilføjer, at dette materiale ikke tidligere var blevet overvejet til dette formål. Denne tilgang viser interaktionen mellem monolag- og gasmolekyler på både strukturelt og elektronisk niveau.

Først, forskerne byggede et modelmonolag bestående af selenatomer, der dannede oktaedriske arrangementer med ét platinatom i midten. Næste, de bestemte den optimale geometri anvendt af individuelle gasmolekyler, såsom NOx, NH3, H2O, CO2 og CO, ved adsorption. De vurderede disse adsorberede molekylers kapacitet til at overføre ladning til monolaget ved at undersøge adsorptionsinducerede ændringer i de elektroniske egenskaber.

Disse beregninger gav høje adsorptionsenergier, indikerer stærk affinitet mellem monolag- og gasmolekyler. Alle adsorberede molekyler ændrede monolagladningen (se billedet), hvilket er nøglen til den gasfølende evne af monolag PtSe2.

Desuden, deres interaktioner var mere effektive med monolag PtSe2 end dets MoS2 eller kulstofbaserede grafenanaloger. "Det var spændende at forklare denne forskel på et molekylært orbitalt niveau, " sagde Schwingenschlögl. Beregninger af elektrontransport afslørede den høje følsomhed af monolag PtSe2 som en gassensor.