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本文针对二维材料气体传感器在灵敏度与可逆性方面的挑战，报道了基于第一性原理计算的Janus MoTeSe/InN范德华异质结研究。研究发现AB-MoIn堆叠构型最稳定，该异质结对Cl2、NO2等气体表现出显著增强的吸附能力（Eads达-0.961 eV）和电荷转移，并通过电子结构分析揭示了金属化转变、带隙调控等传感机制。特别值得注意的是，异质结对NO2表现出超高灵敏度（S=12059.6）和毫秒级室温恢复能力（0.36 ms），为高性能可回收气体传感器设计提供了理论依据。
在环境监测、工业安全和医疗诊断等领域，对有毒有害气体的快速、精准检测提出了极高要求。二维层状材料（2DLM）因其巨大的比表面积和可调的电学性质，被视为构建新一代气体传感器的理想平台。然而，单一组分二维材料往往难以兼顾高灵敏度与快速恢复性能，其气敏特性仍需进一步提升。过渡金属硫族化合物（TMDs）作为二维材料家族的重要成员，在气体传感研究中展现出广阔前景。其中，Janus结构材料（如MoSSe、MoSeTe）通过打破垂直方向的镜面对称性，产生了面外极化和可调的电子特性，为传感性能的优化提供了新维度。另一方面，氮化铟（InN）作为一种具有本征带隙的半导体材料，为弥补石墨烯零带隙的不足提供了替代方案，但其单层结构对某些气体的灵敏度有限。将两种不同的二维材料通过范德华力构建异质结，有望利用界面协同效应，突破单一材料的性能极限，从而获得性能优异的气敏材料。
本研究采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，系统探究了由新型Janus材料MoTeSe与InN构成的垂直异质结的气体传感潜力。计算通过维也纳从头算模拟包（VASP）完成，采用广义梯度近似（GGA）下的PBE泛函处理交换关联势，并利用DFT-D3方法考虑范德华相互作用。通过结合能计算和从头算分子动力学（AIMD）模拟筛选出最稳定的异质结构型，并深入研究了其对Cl2、NO2、NH3、NO、SO2和H2S等六种气体的吸附行为、电子结构变化、传感机理、灵敏度及恢复时间。
3.1. 气体分子吸附几何结构
研究人员首先评估了MoSeTe与InN形成异质结的可行性，计算得到其晶格失配率仅为3.96%，低于5%的阈值，表明异质结可以成功构建。通过系统计算12种可能堆叠构型的结合能，发现AB-MoIn堆叠的MoTeSe/InN（Se面相对）构型具有最大的结合能（-1.962 eV）和适宜的层间距（2.85 ?），被确定为最稳定的构型。AIMD模拟进一步证实该异质结在1000 K高温下结构保持稳定，能量波动小于2%。随后，研究考察了六种气体分子在异质结不同吸附位点（TIn、TN、TTe、BIn-N、TH）的吸附行为。结果表明，异质结对Cl2、NO2、NO和H2S的吸附能力显著增强，其吸附能（Eads）比相应的单层材料更负，吸附距离更短，电荷转移量（Δq）更大。例如，Cl2在TN位点的吸附能为-0.880 eV，电荷转移为0.448 e；NO2在TIn位点的吸附能为-0.961 eV，电荷转移高达0.691 e。这种增强源于异质界面引起的协同效应：较小的晶格失配产生界面应变，使表面原子（尤其是作为主要吸附位点的In和N原子）处于“活化”状态，反应活性提高；同时，异质结的带隙（0.492 eV）显著窄于孤立的MoSeTe（1.259 eV）和InN（0.608 eV）单层，费米能级附近更高的电子态密度增强了与气体分子前沿轨道的相互作用。对于NH3和SO2，异质结上的吸附能略低于InN单层，这种适中的结合力有利于后续的气体脱附。电子定域函数（ELF）分析表明，NO和SO2与异质结之间形成了稳定的共价键，属于化学吸附；而Cl2、NO2和NH3则表现为物理吸附。H2S吸附后S-H键发生断裂。
3.2. MoTeSe/InN异质结的电子结构特征
电荷密度差分（CDD）图直观地展示了吸附过程中的电荷重新分布。除NH3作为电子给体外，其余气体分子均作为电子受体从异质结获得电子。气体吸附显著改变了异质结的电子结构。能带结构分析表明，Cl2(TN)和SO2的吸附使体系带隙分别增大约47.3%和49.4%；而NO2(TIn)和NO的吸附则导致体系金属化，带隙为零，这将极大提高体系的电导率。NO2在TTe位点吸附后，其自旋向下能带在导带区产生平滑能带，使带隙减小89.3%至0.053 eV，也显著增强了导电性。态密度（DOS）和分波态密度（PDOS）分析进一步揭示了气体分子与异质结之间的轨道杂化现象。例如，Cl2在TN位点吸附时，Cl-p轨道与异质结中N-p轨道在-1 eV处出现大的重叠峰，表明Cl与N原子之间存在强相互作用。NO2在TIn位点吸附时，NO2分子中N/O原子的p轨道与MoTeSe/InN中In原子的d轨道在-1至0 eV范围内存在大量重叠峰。此外，气体吸附引起了异质结功函数的显著变化（均超过0.3 eV），其中Cl2(TN)和NO2(TIn)的功函数分别达到5.581 eV和5.672 eV，这种变化可作为气体检测的关键电学信号。
3.3. MoTeSe/InN异质结对吸附气体的灵敏度
灵敏度是衡量气体传感器性能的关键指标。基于能带隙变化（ΔEg）的计算表明，MoTeSe/InN异质结对不同气体表现出显著差异的灵敏度。NO2(TIn)和NO的吸附使体系金属化，获得了极高的相对灵敏度，分别为12059.6和11398.93。Cl2(TN)和SO2也表现出较高的灵敏度，分别为90.42和109.87。而NH3、H2S和Cl2(TTe)的灵敏度相对较低，分别为14.69、21.23和2.25。这种显著的差异性表明该异质结能够实现对NO2和NO的超高灵敏度选择性检测，对Cl2和SO2具有高灵敏度，而对NH3和H2S的灵敏度较低。
3.4. 恢复时间
恢复时间是评估气体传感器可重复使用性的另一个重要参数。计算结果显示，由于NO和SO2的吸附能较大，其在300 K室温下的恢复时间非常长（分别为1.00×1010s和4.67×1014s），不利于传感器的重复使用，但可能适用于气体存储。提高温度可以显著缩短恢复时间，例如NO在500 K时恢复时间缩短至15.85 s。特别值得注意的是，NO2在TTe位点吸附的室温恢复时间仅为0.36毫秒，这一速度远超许多基于二维材料的气体传感研究报道值，表明MoTeSe/InN异质结作为可重复使用的NO2传感器具有巨大潜力。Cl2在400 K时的恢复时间为0.12 s，也表现出良好的可逆性。通过控制操作温度或利用恢复速率的差异，可以在实验中区分具有不同吸附强度的气体。
本研究通过第一性原理计算，深入揭示了AB-MoIn堆叠MoTeSe/InN异质结作为高性能气体传感器，特别是针对Cl2和NO2气体的巨大潜力。该异质结通过界面协同效应显著增强了对多种气体的吸附性能和电子响应。研究不仅从原子尺度阐明了其气敏机理（包括物理吸附/化学吸附判定、电荷转移、能带结构调控、金属化转变等），还定量评估了其灵敏度与恢复时间。研究发现该异质结对NO2和NO具有超高灵敏度，对Cl2和SO2具有高灵敏度，并且对NO2和Cl2表现出快速恢复特性，实现了高灵敏度与良好可逆性的平衡。这些特性使得MoTeSe/InN异质结在环境监测（检测NO2、SO2等大气污染物）、工业安全（监测Cl2、H2S等危险气体）以及农业或生物医学传感（如NH3、NO检测）等领域具有广阔的应用前景。该工作为设计基于范德华异质结的高性能、可回收气体传感器提供了坚实的理论基础和新的设计思路。
