关于掺杂过渡金属的CrSe?单层作为高性能气体传感器用于检测CO、SO?、NO和NO?的理论研究

《Surface Science》：Theoretical investigation of transition metal-doped CrSe? monolayer as a high-performance gas sensor for CO, SO?, NO, and NO? detection

研究H-CrSe?单层材料掺杂Ag和Au后的气体吸附与传感性能，针对CO、SO?、NO?、NO四种气体，通过第一性原理计算和分子动力学模拟分析吸附能、结构稳定性及电荷转移，发现掺杂显著提升性能且在2%双轴拉伸应变下恢复时间缩短至2秒以下。

　　本研究围绕一种新型的二维材料——H-CrSe?单层结构，探讨其通过金（Au）和银（Ag）原子掺杂后对四种有毒气体的吸附与传感性能。这种材料因其在气体检测领域的潜在应用而受到广泛关注，特别是在环境监测和工业排放控制方面。随着纳米技术的快速发展，二维材料的研究不断深入，不仅丰富了材料科学的范畴，还为电子、光学、传感等技术领域提供了新的发展方向。近年来，研究人员发现，通过掺杂金属原子可以显著提升二维材料的吸附与传感能力，这为开发更高效的气体传感器提供了理论依据。

H-CrSe?作为一种过渡金属二硫属化物（TMD），具有独特的电子和磁性特性。相比传统的T-CrSe?结构，H-CrSe?在室温下表现出更强的化学活性，这使其在气体吸附方面具有更广阔的应用前景。然而，尽管H-CrSe?具有良好的吸附能力，其对某些小分子气体的检测性能仍需进一步优化。为此，本研究通过引入金和银原子作为掺杂元素，对H-CrSe?单层的吸附与传感性能进行了系统研究。同时，考虑到某些气体传感器在检测后需要较长的恢复时间，研究还尝试通过施加双向拉伸应变来优化材料的响应速度和恢复性能。

在实验方法上，本研究采用第一性原理计算，对H-CrSe?单层在掺杂金和银原子前后，吸附不同气体时的形成能、结构变化、电荷转移以及态密度（DOS）进行了分析。这些计算为理解材料的吸附机制提供了基础。此外，为了验证材料在常温下的稳定性，研究还进行了分子动力学模拟，结果表明Ag/Au-CrSe?材料在300 K条件下具有良好的稳定性，适合用于实际的气体检测环境。同时，通过双向拉伸应变的引入，研究发现材料对四种有毒气体的恢复时间显著缩短，达到2秒以下，这表明应变调控可以有效提升气体传感器的响应速度和实用性。

在具体分析中，研究发现H-CrSe?单层对CO、SO?、NO?和NO四种气体的吸附能量范围在0.5 eV到1.2 eV之间，这一数值表明材料在吸附这些气体时具有一定的结合力，但并非过强，从而避免了吸附过深导致的恢复时间延长问题。这一特性对于气体传感器的实用性至关重要，因为过长的恢复时间会影响传感器的连续监测能力。同时，研究还发现，在2%的双向拉伸应变作用下，Ag/Au-CrSe?对这些气体的恢复时间显著缩短，说明应变调控可以作为提升气体传感器性能的一种有效手段。

在材料性能方面，研究对H-CrSe?单层的电子结构、能带特性、功函数变化以及电荷密度差异（CDD）进行了详细分析。这些参数的变化不仅反映了材料在吸附气体后的电子行为，还揭示了其在气体检测中的响应机制。通过比较不同掺杂元素对材料性能的影响，研究发现金和银原子的掺杂在一定程度上提升了材料的吸附能力和传感灵敏度，同时保持了材料的稳定性。这一结果表明，通过合理选择掺杂元素，可以在不牺牲材料稳定性的前提下，进一步优化其吸附性能。

此外，研究还对H-CrSe?单层的吸附行为进行了深入探讨，发现其对不同气体的吸附方式存在差异。例如，对于CO气体，Ag-CrSe?表现出物理吸附的特征，电荷转移量较小，这说明其对CO的检测能力有限，无法满足气体传感器的基本要求。而对NO?气体，Ag/Au-CrSe?则表现出化学吸附的特征，电荷转移量较大，这表明其对NO?具有更强的吸附能力，适合用于NO?的检测。同时，研究还发现，Ag/Au-CrSe?对NO和SO?气体的吸附性能也得到了显著提升，说明这两种掺杂元素在提升材料吸附能力方面具有相似的效果。

在应用前景方面，本研究认为H-CrSe?材料具有广阔的应用潜力，特别是在气体传感器领域。通过掺杂金和银原子，可以显著提升材料的吸附能力和传感灵敏度，同时保持其在常温下的稳定性。此外，通过施加双向拉伸应变，可以进一步缩短材料的恢复时间，提升其在实际环境中的应用价值。这些发现不仅为H-CrSe?材料的进一步研究提供了理论支持，也为开发新型气体传感器提供了新的思路和方法。

综上所述，本研究通过系统分析H-CrSe?单层在掺杂金和银原子后的吸附与传感性能，揭示了其在检测四种有毒气体方面的潜力。研究发现，Ag/Au-CrSe?材料在吸附这些气体时表现出良好的结合力，同时保持了材料的稳定性，这使其成为一种有前景的气体传感器材料。此外，通过施加双向拉伸应变，可以进一步优化材料的响应速度和恢复性能，提升其在实际应用中的可行性。这些研究结果不仅为H-CrSe?材料的进一步开发提供了理论依据，也为气体传感器的设计和优化提供了新的方向。