通过过渡金属修饰提高MoSe?/MoSTe异质结构系统的传感和吸附性能：第一性原理研究

《Chemical Physics》：Enhanced sensing and adsorption properties of MoSe 2/MoSTe heterostructure systems through transition metal modification: A first principles study

　　

摘要

本研究通过对新型MoSe₂/MoSTe异质结构材料进行了系统的密度泛函理论（DFT）研究，探讨了其多种可能的堆叠配置。研究了这些异质结构的电子性质和键合能，以进一步评估它们的特性。实验还研究了特征气体SO₂、SO₂F₂和SOF₄在经过Ag和Os改性的MoSe₂/MoSTe异质结构表面的吸附行为，并计算了吸附能、电荷密度差异、能带结构和态密度。结果表明，原始的MoSe₂/MoSTe异质结构具有半导体性质。对于经过Ag、Ir和Os改性的MoSe₂/MoSTe异质结构，减小的带隙表明其具有潜在的导电性增强潜力。实验结果表明，这些气体在改性异质结构上的吸附属于化学吸附，且吸附能较大。我们的研究结果还揭示了MoSe₂/MoSTe异质结构在环境检测SF₆分解气体方面的潜在应用价值。

引言

由于工业活动产生的各种污染气体排放以及技术的发展，空气污染已成为一个严峻问题。特别是来自不同化学过程和工业活动的有毒气体分子对环境和人类健康构成了严重威胁。

由于这些气体分子即使在极低浓度下也具有显著的反应性，它们可以被视为对人类健康产生负面影响的最重要因素之一。有毒气体排放可能导致心脏疾病、呼吸系统问题以及化学灼伤[1],[2],[3],[4]。因此，开发出能够高效检测并最终消除这些有毒气体的材料至关重要。为了识别环境中的意外有害气体排放，需要具备极高灵敏度和选择性的高效传感系统[5],[6]。

近年来，二维（2D）材料因其优异的表面反应性和极薄的特性而成为气体传感和吸附的重要候选材料[7],[8],[9],[10],[11]。常见的2D材料如石墨烯及其类似系统在气体传感领域存在一些不足。为了解决这些问题，研究人员发现了新的2D材料，如过渡金属硫属化物（TMDs），它们具有较高的有毒气体检测能力[12],[13],[14],[15]。此外，TMDs还具备合适的表面积与体积比、可调的带隙以及活性载流子的增强迁移率等优异特性，这些特性显著提升了它们在下一代传感系统中的应用潜力[16],[17]。

例如，Zhang等人研究了WSe₂单层作为二氧化氮（NO₂）传感器的应用，其中利用聚二甲基硅氧烷层来去除CO、H₂S和NH₃等竞争性气体，从而提高了选择性[18]。Li等人也制备了基于NbS₂的气体传感单层，用于检测环境中的含氮气体（NO₂和NH₃）[19]。

尽管内在的TMDs在气体吸附方面表现出良好性能，但其表面反应性较弱，可以通过不同的改性策略得到改善。

其中，通过过渡金属元素对表面进行改性被认为是提高材料传感能力的一种有效方法[20],[21],[22],[23],[24]。改性后，气体分子与2D材料表面之间的电荷转移能够得到更有效的促进，从而增强吸附性能和传感能力。

近年来，范德华（vdW）异质结构化合物的吸附行为尚未得到充分研究。因此，气体传感领域的新进展和需求促使人们探索具有新型功能的新型2D异质结构。最近的出版物展示了气体传感和2D异质结构材料领域的重大进展。例如，Shen等人对Cu基元素改性的PtSe₂/GaN异质结构上有毒气体的吸附进行了第一性原理研究，发现表面改性后气体吸附行为显著改善[25]。Zhou等人还利用密度泛函理论计算研究了过渡金属掺杂的Zr₂CO₂/MoS₂异质结构对HCN分子的吸附行为，发现引入过渡金属元素后，材料的磁性能得到提升，对HCN的检测灵敏度也有所提高[26]。

本研究详细探讨了MoSe₂和MoSTe单层不同堆叠配置形成稳定vdW异质结构的综合理论研究。随后，研究了经过Ag和Os改性的MoSe₂/MoSTe异质结构系统对SO₂、SO₂F₂和SOF₄气体的传感能力。为了进一步明确吸附机制，计算了吸附能、电子电荷密度差异、能带结构及晶格失配。本研究结果为基于Ag和Os改性的MoSe₂/MoSTe异质结构的新气体传感系统的开发和优化奠定了坚实基础。

章节摘录

方法和计算模型

本研究采用SIESTA软件包进行电子性质计算和几何结构优化[27]，该软件基于密度泛函理论（DFT）方法[28],[29]。研究中使用了广义梯度近似（GGA）与Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）方法[30]。双zeta极化基组也被用作几何结构优化的主要基函数。

MoSe₂/MoSTe异质结构的结构和电子性质

首先构建了MoSe₂和MoSTe单层的初始超胞模型，以形成MoSe₂/MoSTe范德华（vdW）异质结构系统。通过优化单层结构，可以根据组成元素的相对排列构建合适的vdW异质结构。关于几何性质，MoSe₂单层的晶格常数分别为a = b = 3.24 ?；而对于

结论

本研究构建了不同堆叠配置的MoSe₂/MoSTe异质结构系统，并利用密度泛函理论计算分析了它们的电子性质。其中，MoSe₂层经过了Ag、Ir和Os等过渡金属的修饰。研究了SF₆分解气体（SO₂、SO₂F₂和SOF₄）在这些异质结构表面的吸附行为。

重点研究了经过Ag和Os改性的MoSe₂/MoSTe系统的吸附性能，包括吸附能、电荷密度差异和电子能带特性。

作者贡献声明

**Amirali Abbasi**：负责撰写、审稿和编辑工作，撰写初稿，软件使用，项目管理，方法论设计，概念构思。

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。