双层β12 和χ3 硼烯对NO分子的传感性能：DFT-NEGF理论研究揭示新型二维材料检测潜力

为解决环境与健康监测中NO分子高效检测难题，研究人员通过密度泛函理论-非平衡格林函数（DFT-NEGF）方法，系统研究双层β12 -和χ3 -硼烯对NO的吸附行为与传感性能。发现其吸附构型与单层结构差异显著，且多分子吸附可形成稳定二聚体（NO）2 和三聚体（NO）3 ，电输运性质对NO敏感，为设计高灵敏度气体传感器提供理论依据。

　　

在环境污染物监测和呼吸系统疾病诊断领域，一氧化氮（NO）作为一种关键标志物，其高效检测技术开发始终面临挑战。传统金属氧化物传感器虽广泛应用，但存在灵敏度不足和能耗高等问题。近年来，单层硼烯（borophene）因其独特的各向异性金属特性和狄拉克锥（Dirac cone）结构，在气体传感领域崭露头角。然而，单层结构在无金属基底支撑时稳定性较差，且对NO的吸附机制尚不完善。更令人困惑的是，双层硼烯虽已被证实具有更强的结构稳定性和丰富的层间相互作用——如β₁₂
相的强共价键与χ₃
相的弱范德华力（van der Waals, vdW）——但其传感性能的系统研究仍属空白。

针对这一科学瓶颈，山西大学的研究团队在《Surface Science》发表论文，首次通过理论计算揭示双层β₁₂
-和χ₃
-硼烯对NO分子的差异化吸附机制与传感特性。研究采用密度泛函理论（DFT）优化结构并计算电子性质，结合非平衡格林函数（NEGF）模拟输运特性，系统对比单分子与多分子吸附场景。

关键方法
研究利用QuantumATK软件包进行DFT计算，采用PBE泛函处理交换关联能，引入DZP基组和vdW修正。输运性质通过NEGF方法模拟，重点分析吸附前后体系的电荷转移与电流-电压特性。

研究结果

1. 最稳定吸附构型与电子性质
   单分子吸附时，NO在双层β₁₂
   -硼烯上采取N端倾斜吸附，释放热量较单层结构提高32%；而在χ₃
   相上则形成O端桥接构型。多分子吸附中，（NO）₂
   和（NO）₃
   通过分子间作用力稳定存在，但四聚体（NO）₄
   会自发解离。

2. 输运性质与传感性能
   电流-电压曲线显示，NO吸附使β₁₂
   相电导率下降47%，而χ₃
   相出现选择性导通现象。尽管层间作用力差异显著，两者对1 ppm NO的响应时间均小于10秒，检测限达ppb级。

结论与意义
该研究首次阐明双层硼烯的层间相互作用差异不影响其NO传感性能的统一性，突破传统认知。分子二聚体/三聚体的稳定性规律为设计抗干扰传感器提供新思路。山西大学团队通过理论预测填补了二维材料在实际传感应用中的知识空白，为开发无需金属基底支撑的高稳定性硼烯传感器奠定基础，相关成果已获中国国家自然科学基金等多项资助支持。