铁掺杂五边形石墨烯对CO气敏性的第一性原理研究

邵志刚; 万龙飞; 刘平平

doi:10.6054/j.jscnun.2023063

铁掺杂五边形石墨烯对CO气敏性的第一性原理研究

广东省量子调控工程与材料重点实验室/物理国家级实验教学示范中心/广东省绿色能源与环保材料工程中心/华南师范大学物理学院，广州 510006

基金项目:

国家自然科学基金项目 52072132

详细信息

通讯作者:
邵志刚，Email: zashao@scnu.edu.cn

中图分类号: O469
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出版历程
- 收稿日期: 2021-12-22
- 网络出版日期: 2024-01-21
- 刊出日期: 2023-10-24

First-Principles Study on the CO Sensing Performance of Iron-Doped Penta-Graphene

Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials/National Demonstration Center for Experimental Physics Education/Guangdong Engineering Technology Research Center of Efficient Green Energy and Environment Protection Materials/School of Physics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China

摘要

摘要:
基于非平衡格林函数结合密度泛函理论，采用第一性原理计算了五边形石墨烯(PG)、CO/PG、Fe-PG和CO/Fe-PG这4种体系的电子性质和输运性质，探究PG以及Fe-PG对CO分子的气敏性。首先，Fe-PG在吸附CO分子过程中大量电荷发生转移，同时具有较低的吸附能，说明CO分子与Fe-PG之间的相互作用较强，表明Fe-PG体系对CO分子的吸附更加敏感。其次，计算出了4种体系的态密度，结果发现Fe-PG和CO/Fe-PG体系之间的态密度发生较大变化，这进一步说明了CO分子与Fe-PG之间具有较强的相互作用，Fe-PG体系对CO分子的吸附具有较为敏感的特性。最后，计算其输运性质，通过输运电流的结果对比发现Fe-PG对CO分子的敏感度比原始PG高出2个数量级，且在零偏压下的透射谱进一步证明Fe-PG是一种检测CO分子的良好传感材料。该研究表明，在PG结构体系中适当引入Fe原子掺杂，可以大幅提升PG对CO分子的气敏性。
- 五边形石墨烯 /
- 一氧化碳 /
- 输运性质 /
- 第一性原理
Abstract:
Using non-equilibrium Green's function combined with density functional theory, the electronic properties and transport properties of four systems of penta-graphene (PG), CO/PG, Fe-PG and CO/Fe-PG were calculated in order to explore the sensitivity of PG and Fe-PG to CO gas molecules from first principles. Firstly, Fe-PG has a large amount of charge transfer during the process of adsorbing CO gas molecules, and it has a small adsorption energy which indicates the strong interaction between it and CO. The results also reveal that the Fe-PG system is more sensitive to the adsorption of CO gas molecules. Secondly, the densities of states (DOS) of the four systems are calculated. It is found that the DOS between the Fe-PG and CO/Fe-PG systems have a large change, which further shows that there is a strong interaction between Fe-PG and CO, and the Fe-PG system is sensitive to the adsorption of CO gas molecules. Finally, the transport properties are explored and it is found that the sensitivity of Fe-PG to CO gas molecules is two orders of magnitude higher than that of the original PG. Further, the transmission spectrum under zero bias further proves that Fe-PG is a good sensing material for detecting CO gas molecules. This research work demonstrates that the proper introduction of Fe atom dopants into the PG structure system can greatly improve the sensing properties of PG to CO molecules.
- penta-graphene /
- CO /
- transport property /
- first-principles theory

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石墨烯的成功制备及其优异的性能促使科学家对石墨烯的异构体进行细致且深入的探究。石墨烯的异构体有多种，常见的2种基本构型分别是五边形、六边形的碳纳米构型^[1]；而五边形石墨烯(penta-graphene，PG)是一种新型二维碳异构体，PG异构体中碳原子具有2种轨道杂化方式(SP²和SP³)，且其稳定性比石墨烯更强^[2]。实验表明，PG是从T-12碳相中分离出来的，其准直接带隙为3.25 eV，少层PG禁带带隙具有较弱的层依赖性^[3-4]，并且垂直压缩应变对PG光学性质有较大的影响，是一种较好的电子光学器件材料^[5-6]。此外，PG具有异乎寻常的负泊松比、优良的机械稳定性以及动态稳定性，即使在1 000 K的高温下，也能够保持其固有属性，PG材料性能明显优于石墨烯^[7-9]，并且PG较大的比表面积有利于分子的吸附，而固有的准直接带隙有利于载流子的复合。这些优点使其成为探究吸附与半导体传感特性研究中较为理想的材料^[10-11]。

相对于固态气体传感器而言，二维纳米材料因其独特的性能和较大的比表面积，在气体传感领域具有较大的潜在应用价值。基于二维石墨烯纳米材料制作的气体传感器具有灵敏度高、响应时间短、恢复时间短、功耗低和成本低等优点^[12]。此外，通过掺杂合适的金属原子及其氧化物，不仅可以增强石墨烯对气体的传感特性，还可以提高其催化效率，从而降低工业成本。例如，可以用Fe、Co、Ni和Cu等过渡金属元素替代贵金属元素，以此来改善基于石墨烯材料制作的气体传感器的灵敏度和选择性^[13-14]。与石墨烯材料类似，PG也可以作为检测分子的优良传感材料，且通过掺杂适合的过渡金属原子还能提高PG对气体分子的吸附性^[10]。实验证明，PG能够在低温CO氧化反应中充当高效率且低成本的催化剂^[15-16]。计算探究PG表面与被吸附分子之间相互作用强弱就显得非常重要，这有利于科学家充分开发PG在传感领域的潜在应用价值。但是大量研究工作集中在PG表面的小分子吸附，并且预测PG与小分子之间具有较低的吸附能，却没有通过计算研究功能化后PG与原始PG分别吸附分子时的电流输运性质，来直观探究它们对分子的敏感性。众所周知，CO是有害气体，因此如何能够灵敏且准确检测出工业废气中CO含量就显得至关重要。截至目前，利用PG材料制作的传感器检测CO气体灵敏度方面的研究工作较少^{[1, 10]}。因此，本文研究Fe原子掺杂的PG传感器及其检测CO气体的灵敏特性。

本文采用非平衡格林函数结合密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法研究PG、CO/PG、Fe-PG、CO/Fe-PG这4种体系的电子性质及其输运性质，并以此来分析掺杂Fe原子前后PG吸附CO分子时灵敏度的高低。Fe-PG体系对CO分子吸附的灵敏度比PG高出近100倍，Fe-PG可以作为检测CO分子的良好传感材料。研究结果为PG传感器的设计、应用与开发提供重要的理论参考。

1. 研究方法

为了研究掺杂Fe原子后PG的电子输运性质，采用晶格参数a=b=0.364 nm，c=2.00 nm的二维单层PG原胞，其中α=β=γ=90°。就原始PG体系而言，PG原胞中C原子存在SP²和SP³这2种轨道杂化方式，其中，2个C原子采用SP³杂化，将此类C原子标记为C1；其余4个C原子采用SP²杂化，将此类C原子标记为C2(图 1)。已有研究^[10]表明，二维单层PG中相对于C2位置在C1位置掺杂Fe原子时，对能带带隙的调控较为明显。因此本文选择在C1位置进行Fe原子掺杂，以此来研究Fe-PG体系电子输运性质。在掺杂过程中，Fe原子与C原子的结合方式比较复杂，但主要以共价键形式结合。另外，为了使体系结构更加合理以及计算结果更加精确，使用Material Studio中的CASTEP模块^[17]对相应结构进行优化。采用含Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)的广义梯度近似(GGA)来处理DFT中的交换关联项^[18]。在结构模型优化过程中，平面波截断能取500 eV，布里渊区K点取样2×1×1，原子间原子剩余力小于0.3 eV/nm，总能量收敛指标取10^-5 eV/atom。此外，上下边缘加氢钝化的一维锯齿状PG纳米带最为稳定，简称SSPGNR^[19]，优化后的SSPGNR结构模型如图 2所示。对于CO/PG体系，最终稳定时CO分子与PG基体平面平行；对于CO/Fe-PG体系，最后CO分子与基体平面垂直且O原子朝上。吸附前后体系总能量的差值定义为吸附能，其大小可以用来衡量吸附后结构体系的稳定性^[10]。PG上CO分子的吸附能表达式为：

$E_{\mathrm{ad}}=E_{(\mathrm{CO} / \mathrm{PG})}-E_{(\mathrm{PG})}-E_{(\mathrm{CO})},$

图 1 PG的原胞结构图

Figure 1. PG's cell structure diagram

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图 2 CO/PG以及CO/Fe-PG构型图

Figure 2. CO/PG and CO/Fe-PG configuration diagram

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对于CO/Fe-PG体系，其吸附能表达式为：

$E_{\mathrm{ad}}=E_{(\mathrm{CO} / \mathrm{Fe}-\mathrm{PG})}-E_{(\mathrm{Fe}-\mathrm{PG})}-E_{(\mathrm{CO} )},$

其中，E_(CO/PG)以及E_(CO/Fe-PG)分别表示掺杂Fe原子前后PG吸附CO分子后的总能量，E_(PG)以及E_(Fe-PG)分别表示掺杂Fe原子前后PG体系的总能量，而E_(CO)表示CO分子的总能量，吸附能E_ad为负数时，表明能够产生吸附，且其绝对值越小吸附后的结构越稳定；否则，吸附不能发生。

基于非平衡格林函数结合密度泛函理论的计算方法，使用量子输运软件Nanocal^[20]分别对PG、CO/PG、Fe-PG以及CO/Fe-PG结构体系的电流输运性质进行计算。在自洽的计算过程中，使用交换关联泛函GGA-PBE96，原子基矢设置为Double-Zeta Polarization(DZP)，实空间网格截断能取150 Hartree，x、y、z方向上电极布里渊区K点设置为100×1×1。电子温度为100 K，以实现一个合理的平衡的计算效率和精确度。对左右电极的电位分别添加+V_b/2和－V_b/2电势对器件施加+V_b的正向偏压，电流从电势高的电极流向电势低的电极(左电极流向右电极)，通过计算得到两电极间沿x方向的透射曲线和I-V曲线。在所有结构模型计算过程中均不考虑电子自旋的影响，使用朗道Büttiker公式计算输运电流，其表达式：

$I\left(V_b\right)=\frac{2 \mathrm{e}}{h} \int_{-\infty}^{\infty} T\left(E, V_b\right)\left[f\left(E-\mu_{\mathrm{L}}\right)-f\left(E-\mu_{\mathrm{R}}\right)\right] \mathrm{d} E,$

其中，μ_L和μ_R分别表示左右电极化学势能，f(E－μ_L)和f(E－μ_R)分别代表左右电极电子费米分布函数，TE, V_b是偏压V_b以及能量E的透射系数函数，其方程为：

$\begin{aligned} & T\left(E, V_b\right)= \\ & \quad \operatorname{Tr}\left[\varGamma_{\mathrm{L}}\left(E, V_b\right) G^R\left(E, V_b\right) \varGamma_{\mathrm{R}}\left(E, V_b\right) G^A\left(E, V_b\right)\right], \end{aligned}$

其中，G^R(E, V_b)和G^A)E, V_b)分别为中心散射区延迟和超前格林函数，

$\varGamma_{\mathrm{L}, \mathrm{R}}=\mathrm{i}\left(\sum\nolimits_{\mathrm{L}, \mathrm{R}}^R\left(E, V_b\right)-\sum\nolimits_{\mathrm{L}, \mathrm{R}}^A\left(E, V_b\right)\right)$

为展宽函数， $\sum_{\mathrm{L}, \mathrm{R}}^R\left(E, V_b\right)$ 和 $\sum_{\mathrm{L}, \mathrm{R}}^A\left(E, V_b\right)$ 分别为左右电极对中心散射区的自由能。同时，为了估计传感器对CO分子的响应，将气体传感器的灵敏度S定义为^[21]：

$S=\frac{\left|I-I_0\right|}{I} \times 100 \%,$

其中，I和I₀分别表示CO/PG(CO/Fe-PG)系统与PG(Fe-PG)系统的电流。

2. 结果与讨论

理解PG表面和被吸附分子之间的相互作用，对基于PG传感器的开发与应用十分重要，因此在体系结构优化后，本文计算出体系的吸附能、吸附距离和电荷转移量。图 2展示了最终稳定的结构模型。对于CO/PG体系，CO分子与PG平面平行且吸附距离为0.386 nm。对于CO/Fe-PG体系，CO分子与Fe-PG基体平面垂直且吸附距离为0.153 nm。同时，表 1列举出CO/PG和CO/Fe-PG体系的吸附能、吸附距离以及电荷转移量(Mulliken电荷)。对于CO/PG和CO/Fe-PG这2个体系，吸附能分别为-3.604、-4.146 eV。由此可说明CO/Fe-PG比CO/PG体系更加稳定，由表 1中吸附能大小可知CO/Fe-PG相比于CO/PG体系对CO分子吸附更加敏感。由表 1中电荷转移量可知，对于CO/PG体系，少量的电荷(0.01 e)从CO分子转移到PG中，说明CO分子与PG之间的相互作用较弱。但是，在CO/Fe-PG体系中，观察到较大的电荷转移量(-0.19 e)，说明CO分子与Fe-PG之间存在较强的相互作用。因此，Fe-PG体系具有较低的吸附能以及较大的电荷转移量，揭示了分子与基体之间较强的相互作用，说明与原始的PG体系相比，Fe-PG体系对CO气体吸附更加敏感。

表 1 优化后CO/PG和CO/Fe-PG体系的参数

Table 1. The parameters of CO/PG and CO/Fe-PG systems after optimization

构型	吸附能/eV	吸附距离/nm	电荷转移量/e
CO/PG	-3.604	0.368	0.01
CO/Fe-PG	-4.146	0.153	-0.19

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为了进一步研究CO分子的吸附对PG电子性质的影响，计算CO分子与PG吸附体系间的总电子态密度。图 3给出了PG、CO/PG、Fe-PG、CO/Fe-PG的态密度。由表 1中的吸附能量、吸附距离和电荷转移量可知，CO分子与原始PG之间的相互作用较弱。这种较弱的相互作用在态密度中也十分明显(图 3A)，吸附CO分子后PG体系的态密度发生了微小变化，这表明PG体系对CO分子的吸附敏感度较弱。Fe-PG和CO/Fe-PG的态密度如图 3B所示，CO分子吸附前后态密度发生了较大的变化，这是由于CO分子与Fe-PG间具有较强的相互作用，表明掺杂Fe原子后的PG对CO分子的吸附敏感性明显增强，CO分子与Fe-PG间的相互作用增强^[22]。与吸附能和电荷转移一样，态密度的变化大小能够衡量分子与PG基体的相互作用强度。由以上分析可知：与原始的PG相比，Fe-PG可作为检测CO的良好传感材料。

图 3 PG、CO/PG、Fe-PG和CO/Fe-PG的态密度

Figure 3. The density of states of PG, CO/PG, Fe-PG and CO/Fe-PG

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采用非平衡格林函数方法研究CO分子吸附对基于PG的电子器件输运性能的影响。图 4A为构建的电子器件。通过计算电子器件的I-V曲线能够半定量地评估原始PG与Fe-PG分别作为检测CO分子传感材料时的传感性能。由图 4B可知，PG和CO/PG的电流变化趋势一致且表现出明显的线性关系，在低偏压下电流受到强烈抑制，而在高偏压下电流却迅速增大，说明CO吸附到原始PG后并没有提高系统的电流输运特性。这是由于PG与CO的相互作用比较弱，并且这种弱的相互作用对电流的输运几乎没有贡献。在0~1.5 V偏压范围内，两种体系最大电流差距很小，表明原始的PG对CO分子的响应远不能满足实际的应用要求。与之不同的是Fe-PG和CO/Fe-PG的电流相比于PG和CO/PG电流增大约3个数量级(图 4C)，并且在其嵌图中发现两体系均在低偏压0.4~0.8 V范围内，电流没有随着电压的增加而增加，而是出现负微分电阻效应，但在原始的PG和CO/PG体系中并没有出现负微分电阻效应。在特定偏置电压下透射谱的移动是器件负微分电阻效应的成因。此外，在C1位置掺杂铁原子后带隙明显减小，表明电子更易从价带跃迁到导带^[10]。因此，PG掺杂Fe原子后在一定程度上能够提高自身的电子传输能力并产生负微分电阻效应。在图 4C中还发现，两种体系的电流变化趋势相差较大且均表现出明显的非线性行为。相比之下，CO/Fe-PG体系的电流显著增加，说明Fe-PG与CO分子间的相互作用增强。与原始PG传感材料相比，Fe-PG传感材料更适合用于CO分子的检测。图 4D给出了PG、Fe-PG体系分别吸附CO分子后灵敏度与偏压的关系，Fe-PG对CO气体的灵敏度取决于偏置电压，在偏置电压为0.6 V时，Fe-PG对CO气体的灵敏度几乎是原始PG的50倍。在0.8 V的偏置电压下，Fe-PG对CO气体的灵敏度比原始PG高出近100倍。因此，从图 4D中可得出结论，与原始Fe-PG相比，经Fe掺杂修饰后的PG对CO气体表现出非常优异的传感特性。

图 4 纳米输运器件模型及其相关参数

Figure 4. The nano-transport device model and related parameters

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为了深入分析气体传感的微观机制，对比研究不同体系在零偏压下的透射光谱(图 5)。由图 5A可知，PG与CO/PG体系在零偏压下的透射谱曲线很相似，几乎没有太大的变化，表明原始的PG对CO气体的吸附并不敏感。与之相反，由图 5B可知，在零偏压下，相对于Fe-PG变化曲线，CO/Fe-PG体系的透射谱曲线变化比较剧烈，这说明掺杂Fe原子后的PG相对于原始的PG在气体传感方面发挥了比较重要的作用。零偏压下的透射谱也揭示了掺杂Fe原子后的PG能够大大提升对CO气体吸附的灵敏度，这与前面的结论一致。因此，将Fe原子掺杂到PG中是改善CO分子吸附的有效途径，Fe-PG可作为检测CO气体的良好传感材料，为后面基于PG的传感器设计和开发提供理论基础。

图 5 PG、CO/PG、Fe-PG和CO/Fe-PG在零偏压下的透射谱

Figure 5. Transmission spectra of PG, CO/PG, Fe-PG and CO/Fe-PG under zero bias

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3. 结论

分别对PG、CO/PG、Fe-PG、CO/Fe-PG这4种体系的电子性质和输运性质进行第一性原理计算研究。与原始的PG相比，掺杂Fe原子后的PG与CO气体间的相互作用增强，表明Fe-PG对CO分子的吸附敏感性提高。通过非平衡格林函数方法计算出I-V曲线，掺杂Fe原子后PG出现负微分电阻效应，说明Fe原子的掺杂能有效调控PG的电流输运性质，同时，Fe-PG对CO分子的吸附敏感性大幅增强。从零偏压的透射谱也能分析出掺杂Fe原子后的PG相对于原始的PG在气体传感方面发挥着比较重要的作用。本文为深入探索基于PG传感器这一领域的研究提供重要参考，也为基于PG传感器的设计和开发提供了相应的理论基础。

图 1 PG的原胞结构图

Figure 1. PG's cell structure diagram

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图 2 CO/PG以及CO/Fe-PG构型图

Figure 2. CO/PG and CO/Fe-PG configuration diagram

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图 3 PG、CO/PG、Fe-PG和CO/Fe-PG的态密度

Figure 3. The density of states of PG, CO/PG, Fe-PG and CO/Fe-PG

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图 4 纳米输运器件模型及其相关参数

Figure 4. The nano-transport device model and related parameters

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图 5 PG、CO/PG、Fe-PG和CO/Fe-PG在零偏压下的透射谱

Figure 5. Transmission spectra of PG, CO/PG, Fe-PG and CO/Fe-PG under zero bias

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表 1 优化后CO/PG和CO/Fe-PG体系的参数

Table 1 The parameters of CO/PG and CO/Fe-PG systems after optimization

构型	吸附能/eV	吸附距离/nm	电荷转移量/e
CO/PG	-3.604	0.368	0.01
CO/Fe-PG	-4.146	0.153	-0.19

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