过渡金属掺杂GaN单层材料对变压器油中溶解气体的传感性能：一项DFT研究

本研究通过第一性原理密度泛函理论（DFT）系统探讨了过渡金属（V、Ti、Ni）掺杂GaN单层材料对变压器油中五种典型故障气体（CO、H2、CH4、C2H2、C2H4）的吸附行为与传感机制。结果表明Ti@GaN具有最优的气敏响应与选择性，为高灵敏度变压器故障诊断传感器提供了理论设计依据。

　　

Calculation Details

本研究中的所有计算均基于密度泛函理论（DFT），使用Materials Studio软件中的DMol³模块完成。几何优化与能量计算采用Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函和广义梯度近似（GGA），并引入Grimme的DFT-D3色散校正。所有原子均使用双数值加极化（DNP）基组。

Geometry Optimization of Gas Molecules and Pristine GaN Monolayer

本研究首先对原始GaN单层及五种变压器油中典型故障气体分子进行几何优化。图1(a)和(b)分别展示了GaN单层的俯视图与侧视图，其原子排列呈蜂窝状结构，Ga–N键长约1.841 ?，内角为120°，显示出对称稳定的二维晶格特征。图1(d)进一步展示了优化后气体分子的几何构型。

Summary

本研究通过第一性原理DFT计算系统探究了V、Ti、Ni掺杂GaN单层对五种溶解气体（CO、H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄）的吸附行为与传感特性，主要结论如下：

(1) 过渡金属掺杂显著增强气体吸附与电子响应：与原始GaN相比，TM@GaN体系表现出更强的吸附能和电荷转移量（Qt），尤其对CO和C₂H₂等极性气体。其中Ti掺杂表现最为突出。