电场调控MoS2对CO2的吸附与电子传输机制及其在FET气体传感器中的应用研究

本研究通过密度泛函理论（DFT）与非平衡格林函数（NEGF）计算，揭示了外电场对单层MoS2吸附六种气体（CO、CO2、CH4、O2、N2、H2O）的选择性调控机制，首次实现CO2从物理吸附向化学吸附的转变，并证明其在场效应晶体管（FET）传感器中具有高灵敏度（电流响应提升至64.3%）与低功耗优势，为设计可逆、高选择性气体传感器提供了新策略。

　　

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Methodology

结构优化在正交超晶格中进行，其尺寸为 α= 12.64 ?、b= 10.95 ? 和 c= 20.00 ?，每个晶胞包含48个原子（如图1所示）。结构弛豫使用QuantumATK软件包中实现的密度泛函理论（DFT）完成。所有元素均采用PseudoDojo规范守恒赝势。交换关联泛函采用广义梯度近似下的Perdew-Burke-Ernzerhof（GGA-PBE）泛函。

Gas adsorption and electronic interactions on MoS₂ under an external electric field

图1(a)展示了在z方向施加外电场（E_ext）时CO₂在MoS₂表面的吸附构型。图1(b)和1(c)分别呈现了六种气体（CO₂、CO、CH₄、H₂O、N₂和O₂）在无外电场条件下的优化结构顶视图与侧视图。图1(d)则展示了在E_ext = 0.0243 a.u. 的电场下的结构侧视图。

吸附构型取决于各气体分子的特性及其与MoS₂表面的相互作用。

Conclusions

本研究证明电场调制可在MoS₂基场效应晶体管（FET）气体传感器中实现选择性、高灵敏度的CO₂传感。在施加外电场后，六种测试气体中仅CO₂发生从物理吸附到化学吸附的转变，而N₂和O₂则易于脱附，从而增强了选择性。我们进一步分析了分子覆盖度增加和电场强度变化对恢复时间和电流响应的影响：外电场强化了气体-表面相互作用，并显著提升了器件性能。