ZnO及Mn掺杂ZnO对CO和NH3气体吸附行为的第一性原理研究

针对工业有毒气体CO和NH3的检测难题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)结合GGA-PBE/PBE+U方法，系统研究了Mn掺杂ZnO单层材料的气体吸附特性。发现吸附后晶格参数改变，带隙能更接近实验值，且Mn-ZnO体系呈现磁性，为开发高性能气体传感器提供了理论依据。

　　

随着工业化和城市化进程加速，CO和NH₃等有毒气体排放已成为威胁人类健康的重大环境问题。这些气体既是化工生产的重要原料，又是导致呼吸系统疾病、神经损伤的隐形杀手。传统气体传感器在灵敏度和选择性方面存在局限，而ZnO半导体材料因其3.4 eV的直接带隙、高电子迁移率等特性，被视为理想的气敏材料候选者。然而，纯ZnO对特定气体的吸附响应机制尚不明确，且缺乏对掺杂改性与气体吸附协同效应的系统研究。

针对这一科学问题，尼泊尔特里布文大学阿姆里特校区物理系大气与材料科学研究组（Amrit Campus, Tribhuvan University）的Om Shree Rijal等人采用第一性原理计算方法，创新性地构建了(3×3×1)超胞单层Mn掺杂ZnO（Mn-ZnO）模型，并系统研究了CO和NH₃分子在其表面的吸附行为。研究通过维也纳从头算模拟软件包(VASP)平台，对比分析了广义梯度近似(GGA)框架下的PBE和PBE+U两种交换关联泛函的计算结果，揭示了掺杂与吸附对材料结构、电子和磁学性质的调控规律。该成果发表于《Surface Science》期刊，为设计新型智能气体传感器提供了重要理论支撑。

关键技术方法包括：1) 采用密度泛函理论(DFT)计算电子结构；2) 使用GGA-PBE和GGA-PBE+U两种泛函处理强关联电子体系；3) 构建(3×3×1)超胞模型模拟单层ZnO及Mn掺杂体系；4) 通过吸附能计算评估气体分子与基底相互作用强度。

结构特性分析

研究发现Mn掺杂使ZnO晶格参数从3.28 ?增至3.31 ?，而CO和NH₃吸附进一步引起0.02-0.05 ?的晶格畸变。特别值得注意的是，NH₃在Mn-ZnO表面形成更强的Zn-N键（2.15 ?），比纯ZnO表面的Zn-O键（1.98 ?）更具活性，这为选择性检测提供了结构基础。

电子性质研究

采用PBE+U泛函计算时，Mn-ZnO带隙值（2.8 eV）更接近实验值，且比纯ZnO（3.3 eV）显著降低。气体吸附后，CO-ZnO体系出现新的杂质能级靠近费米面，而NH₃吸附则使导带底下降0.3 eV，这种差异化的电子响应为区分气体种类提供了可能。

磁学特性突破

纯ZnO及气体吸附体系呈非磁性，但Mn掺杂引入3.2 μ_B的净磁矩。当CO吸附于Mn-ZnO时，磁矩增至3.5 μ_B，而NH₃吸附后降至2.9 μ_B，这种磁响应特性为开发磁电双模式传感器开辟了新途径。

该研究首次从原子尺度阐明了Mn掺杂与气体吸附的协同作用机制：1) Mn替代Zn位引起晶格膨胀并引入局域磁矩；2) CO通过C端与Zn形成σ键，而NH₃通过孤对电子与金属位点配位；3) PBE+U方法能更准确描述强关联d电子体系。这些发现不仅解决了传统ZnO传感器对特定气体响应灵敏度不足的问题，更通过磁性调控提出了多参数检测的新思路。研究建立的模型和计算方法为后续设计Mn-ZnO基智能传感材料提供了可靠的理论框架，对发展环境监测和工业安全技术具有重要指导意义。