黑磷的表面改性和CO吸附的理論研究.pdf

1、新型二維材料黑磷的成功制備極大地激發(fā)了人們對它的研究興趣，除了與石墨烯，過渡金屬硫化物同樣具有較高的表面積-體積比之外，黑磷還具有其他優(yōu)異的性質(zhì)，例如可觀的直接帶隙，高的空穴遷移率，高的開關(guān)比以及獨特的各向異性。這些特點使黑磷成為二維材料領(lǐng)域的研究焦點，甚至有人預(yù)測黑磷可能會像石墨烯一樣，替代硅成為新一代的半導(dǎo)體材料。
　　本文采用了基于密度泛函理論的VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package

2、)軟件包，對二維材料黑磷的結(jié)構(gòu)及相關(guān)性質(zhì)進行了計算和分析。由于黑磷材料在氣體吸附方面表現(xiàn)出不穩(wěn)定的物理吸附特性，我們選取的主要方法是對單層黑磷進行摻雜和缺陷構(gòu)建，從而提高黑磷表面的活性，加強黑磷對一氧化碳?xì)怏w(CO)的吸附程度，最終提高傳感的靈敏度。論文主要研究了金屬原子摻雜黑磷的電子性質(zhì)和金屬原子摻雜對CO氣體吸附的影響。具體的研究內(nèi)容包括以下幾個部分:
　　(1)對Co-BP-CO和BP-CO的電子性質(zhì)進行了研究分析，通過黑磷

3、表面鈷原子(Co)摻雜的改性，發(fā)現(xiàn)Co-BP在吸附CO分子后能帶結(jié)構(gòu)從直接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙，雜質(zhì)Co原子和CO分子的軌道耦合也證實了雜質(zhì)Co原子對CO吸附的促進作用。相比BP-CO結(jié)構(gòu)，Co-BP-CO結(jié)構(gòu)的結(jié)合能更大，穩(wěn)定性更高，而且根據(jù)Bader電荷分析，CO氣體向Co摻雜黑磷體系轉(zhuǎn)移的電荷數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純凈黑磷，證明了Co摻雜提高了黑磷對CO氣體的靈敏度和選擇性。
　　(2)Co摻雜證明了金屬原子在黑磷表面改性方面有很強的積

4、極作用。計算金屬摻雜黑磷結(jié)構(gòu)后，我們發(fā)現(xiàn)堿金屬摻雜會改變黑磷的光學(xué)性質(zhì)，加強電子結(jié)構(gòu)的可調(diào)性;貴金屬Pd，Pt摻雜黑磷會產(chǎn)生很強的SMSI效應(yīng)，有助于提高該材料的催化性能;鐵磁性金屬摻雜黑磷都表現(xiàn)出較強的結(jié)合能，而且Fe和Ni雜質(zhì)還會使黑磷具有磁性;Pb摻雜黑磷表現(xiàn)出很強的金屬性質(zhì)，可以通過外界電場來調(diào)節(jié)材料的電學(xué)特性。在CO吸附方面，Li-BP-CO和Al-BP-CO的能帶結(jié)構(gòu)從間接帶隙變?yōu)橹苯訋?，而Pd-BP-CO、Pt-BP-C

5、O、Ni-BP-CO和Al-BP-CO則表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性，Au、Pt、Ni和Al摻雜結(jié)構(gòu)與CO之間存在大量的轉(zhuǎn)移電荷，證明了金屬雜質(zhì)提高了黑磷對CO氣體的吸附和探測能力。
　　(3)考慮到實際制備黑磷的過程中會產(chǎn)生缺陷，因此根據(jù)不同缺陷位置的排列組合，我們建立了不重復(fù)的6種雙空位缺陷結(jié)構(gòu)D1-2、D1-3、D1-4、D1-5、D1-6和D1-8。計算發(fā)現(xiàn)雙空位缺陷黑磷的形成能都小于單空位缺陷，說明雙空位缺陷結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。缺陷點位