二维C?N层气体吸附性质的理论研究

《Surface Science》：Theoretical study of gas adsorption properties of a two-dimensional C 3N layer

二维半导体材料C3N的气体吸附特性及其对电导率的影响研究。基于第一性原理和DFT计算，系统分析了12种气体分子（包括C2H2、Cl2等）在C3N表面的吸附行为。研究表明C3N与C2H2、Cl2等气体形成强化学吸附，产生显著电荷转移，导致电导率变化率达35%-42%，而CH3OH、HCHO等气体仅发生物理吸附。该发现为开发新型高灵敏气体传感器提供了理论依据。

　　

郑志红|王立峰|杨晓鹏|卢一忠

济南大学材料科学与工程学院，中国济南250022

摘要

C₃N是一种全新的二维半导体材料，具有优异的电学和磁学性能，是制造气体传感器的理想材料。本文基于第一性原理和密度泛函理论（DFT），研究了不同气体吸附在C₃N表面时其性质的变化。这些气体中包括一些尚未被研究过的有害气体，并通过计算电导率来评估气体吸附对C₃N电导率的影响。由于C₃N与CH₃OH、HCHO、COCl₂、CH₄、H₂S、N₂、NH₃之间的相互作用较弱，因此不会产生电荷重叠，这些气体分子被视为物理吸附。HCl、HBr、HCN与C₃N之间存在较弱的化学键，表现为弱化学吸附；而C₂H₂、Cl₂与C₃N之间的强相互作用则形成了化学键，导致C₃N的电子性质发生改变。这表明C₃N在检测C₂H₂和Cl₂方面具有巨大潜力。

引言

随着工业的发展，空气污染已成为人类面临的主要危害之一。面对日益严重的空气污染问题，开发高性能气体传感器以及在室温下实现实时、快速、准确监测有毒有害气体已成为当前研究的热点。

目前，大多数气体传感器基于金属[1,2]、聚合物[3]或金属氧化物[4,96]制成，但它们的灵敏度不足，气体选择性有限，且能耗高、受温度影响较大，无法保证使用安全性[7]。

为突破传统传感器的局限性，人们迫切需要寻找新的基质材料来制造新一代高性能气体传感器。当石墨烯被发现时，科学家们很快注意到其优异的电导率和极高的比表面积。自此，基于石墨烯的气体传感器成为传感器领域的新星[[11], [12], [13], [14]]。

文献中报道了多种C₃N的掺杂改性方法，如金属掺杂和卤素元素掺杂，这些方法均显著提升了材料性能。具体的改性方法包括用金属或杂原子（如B或P）替代C₃N中的C/N原子，引入杂质能级以及调节载流子浓度[15,16]，从而促进气体吸附后的能级跃迁并放大带隙变化，为后续研究提供了方向。

然而，石墨烯存在零带隙和高成本等缺点，使得基于石墨烯的气体传感器难以制备，并导致响应速度慢等问题[17,9]。因此，人们开始探索是否可以使用其他二维材料作为气体传感器的基底，以克服石墨烯的局限性[19]。基于此，我们研究了类似石墨烯的二维C₃N材料的气体吸附性质，并引入了新的气体种类，以拓展C₃N基气体传感器的应用范围[20]。

方法

计算基于第一性原理和密度泛函理论（DFT），使用Materials Studio中的CASTEP模块进行。首先构建原子结构，然后进行几何优化，之后计算能量和电子性质。通过数据分析得出结论，计算过程中采用广义梯度近似（GGA）来描述原子间的相互作用。

结果与讨论

我们研究的气体分子包括C₂H₂、Cl₂、CH₃OH、HCHO、COCl₂、CH₄、HCl、HBr、H₂S、N₂、HCN和NH₃。我们在C₃N表面选择了六个可能的吸附位点，如图9所示。

这六个可能的吸附位点分别是：(1) C-C键中间的桥位（B_CC）、(2) N-C键中间的桥位（B_CN）、(3) 碳环中心的空位（H_CC）、(4) 由C和N原子组成的六边形中心的空位（H

结论

C₃N这种新兴材料不仅具有类似石墨烯的结构，还展现出作为二维材料时的优异性能，在多个领域受到了广泛关注。研究C₃N与各种气体的相互作用对其在气体传感器等领域的应用至关重要。

总结来说，我们利用第一性原理计算和密度泛函理论（DFT）研究了未探测气体吸附在C₃N表面时的性质变化。

未引用参考文献

[5,6,8,18,21]

作者贡献

杨晓鹏负责概念设计、方法论、软件使用、项目管理、撰写、审稿与编辑。郑志红负责概念设计、软件使用、数据整理、方法论、项目管理、形式分析、实验研究、数据可视化以及初稿撰写。王立峰负责实验研究、数据可视化及初稿撰写。卢一忠负责资源准备、审稿与编辑。所有作者均已阅读并同意本文内容。

数据可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在本文中。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。

作者贡献声明

郑志红：初稿撰写、软件使用、资源准备、项目管理、实验研究、资金获取、数据整理、概念设计。王立峰：初稿撰写、资源准备、实验研究、形式分析、数据整理。杨晓鹏：审稿与编辑、监督工作、方法论制定、数据整理、概念设计。卢一忠：审稿与编辑、数据可视化、结果验证、资源准备、形式分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。