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Sensing properties of NO2 gas sensor based on nonmetal doped α-AsP monolayer: A first-principles study

非金属 单层 磷烯 材料科学 兴奋剂 吸附 密度泛函理论 纳米技术 分子 电场 化学物理 光电子学 物理化学 计算化学 化学 有机化学 物理 量子力学 冶金 金属
作者
Guo‐Xiang Chen,Xiao‐Na Chen,Doudou Wang,Geon‐Hyoung An,Jianmin Zhang
出处
期刊:Materials Science in Semiconductor Processing [Elsevier]
卷期号:139: 106319-106319 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.mssp.2021.106319
摘要

α-AsP monolayer is a two-dimensional (2D) black phosphorene-like material with potential applications in electronics and gas sensors due to ultra-high carrier mobility. Here, we investigate the gas sensing properties of nonmetal (Si and S) atoms doped α-AsP monolayer using the first-principles calculations based on the density functional theory (DFT-D2 method). The results show that the nonmetal doping can significantly improve selectivity and sensitivity toward NO2 compared with other interfering gas molecules. Especially, the S doped α-AsP monolayer possesses a high selectivity to NO2 with moderate adsorption energy of −0.82 eV, a high sensitivity with significant WF change of 0.39 eV and larger sensitivity value of 53.8 %. By analyzing the electron localization function (ELF) and electronic structure, the enhanced adsorption ability of the S doped α-AsP monolayer to NO2 is mainly determined by electrostatic interaction. In addition, adsorption behavior of NO2 on S doped α-AsP monolayer can be effectively affected by applying external strain and electric field, meaning that strain/electric field can be used as a controllable method for gas storage and release. Therefore, these results not only provide fundamental insights for nonmetal doped α-AsP monolayer as promising gas sensing material for NO2 detection, but also provide a theoretical guideline for designing high performance gas sensors based on 2D AsP.
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