使用单层铅烯场效应晶体管实现有毒气体和生物标志物气体的栅极可调检测

《Materials Chemistry and Physics》：Gate-tunable detection of toxic and biomarker gases using monolayer plumbene field-effect transistors

　　

摘要基于场效应晶体管（FET）的气体传感器凭借高灵敏度和栅极可调的输运特性，为有毒气体和挥发性生物标志物的检测提供了极具前景的平台。在本工作中，我们采用第一性原理密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）形式体系，系统地研究了单层铅烯对代表性有毒气体（AsH?、HF、SO?、SiF?和NO）及挥发性生物标志物（丙酮、异戊二烯、戊烷、H?S和H?O）的气体传感性能。我们分析了吸附能、吸附几何构型、电荷转移、电子结构和功函数调制等关键传感参数，以理解铅烯与被吸附气体分子之间的相互作用。通过归一化电流响应（I/I?）和传输谱（G/G?），在有无外加栅极电场（0.05 V/?）的情况下进一步评估了输运特性。此外，还进行了涉及带栅极电场的投影态密度（PDOS）、应变效应、湿环境下的共吸附以及交换-关联泛函依赖性分析，以验证传感机制和设备性能的稳健性。结果表明，SO?和NO表现出最强的输运行为调制，而丙酮、异戊二烯和戊烷则展现出中等的栅极可调传感响应。此外，在中等拉伸应变和潮湿环境下，传感特性保持稳定，证实了基于铅烯的传感器在实际工况下的可靠性。这些发现确立了铅烯作为下一代FET基气体传感器中良好的各向异性和栅极可调材料，能够检测有毒工业气体和挥发性生物标志物。

引言

在现代时代，由于工业、车辆和家用来源过量释放的有害气体，环境监测变得至关重要[1]、[2]、[3]。及时检测砷化氢（AsH?）[4]、氟化氢（HF）[5]、[6]、二氧化硫（SO?）[7]和四氟化硅（SiF?）[8]等有毒气体对于防止工业事故和保障公众健康至关重要。这些气体通常在半导体制造、化学品生产和能源生产过程中产生[2]。这些有毒气体的微量暴露即可导致严重的呼吸系统、神经系统或其他健康问题[5]、[9]。同时，早期疾病诊断，尤其是哮喘等呼吸系统疾病，也依赖于检测呼出气体中特定的挥发性生物标志物[10]。丙酮、异戊二烯、戊烷、一氧化氮（NO）和硫化氢（H?S）等气体已被证实可作为氧化应激、代谢活动或气道炎症的生理指标，使其在无损医学诊断中实现精确、选择性检测[10]、[11]。水蒸气（H?O）虽然本身无毒，但在环境中无处不在，可通过竞争性吸附或改变传感器基线响应来显著影响气体传感器性能。因此，检测这些气体——从剧毒工业污染物到与疾病相关的挥发性生物标志物——使用灵敏且选择性材料的能力，不仅对环境安全至关重要，也对推进无损医疗诊断领域具有重要意义[12]。

近年来，二维（2D）材料因其独特的物理、化学和电子特性而受到广泛关注，使其成为广泛技术应用中的理想候选材料[13]、[14]。在众多可能的应用领域中，气体传感已成为一个关键领域，尤其是在环境监测、工业安全和生物医学诊断的背景下[3]、[15]、[16]。二维材料的高表面积与体积比和可调电子结构使其对吸附气体极为敏感，为快速、选择性和低功耗传感设备提供了潜力[17]。Suchanuch等人[18]提出了五配位BeAs?（penta-BeAs?）作为一种用于有毒气体传感的新型二维材料。通过基于DFT和NEGF的量子输运研究，他们证明该材料具有中等吸附能（0.4–0.8 eV）、良好的可逆性，以及有毒与非有毒气体之间吸附行为的明显差异，突出了其灵敏度和选择性。Areg等人[19]利用DFT计算研究了二维SnO、SnO?和Sn?O?单层的传感特性，重点关注它们与NH?、NO?和DNA分子的相互作用。他们的发现表明，SnO?对NH?特别敏感，而Sn?O?对NO?表现出选择性灵敏度，突显了它们在环境传感应用中的潜力。有趣的是，三种二维材料均被证实适合通过物理吸附吸附DNA分子，表明其在DNA检测和生物界面技术中的适用性。Rezvan等人[20]研究了六种在呼出气体中发现的肝癌生物标志物（1-辛烯-3-醇、柠檬烯、己醛、2-戊酮、甲醇和癸烷）在B?C?N?单层上的吸附行为。作者表明，1-辛烯-3-醇在研究的生物标志物中表现出最高的吸附能，表明与单层之间存在强相互作用。Shuaiqi等人[21]通过进行DFT计算和从头算分子动力学（AIMD）模拟研究了SnSi?N?的传感潜力。他们预测了SnSi?N?与NO?和NH?气体分子之间的强相互作用、显著的电荷转移和良好的耐湿性，表明SnSi?N?是一种良好的二维传感器材料。

单层铅烯是一种近期合成的二维材料[22]、[23]，具有出色的电子、光学、力学和结构特性，使其成为传感应用的理想候选材料。研究表明，铅烯的电子和输运特性可通过外加电场和磁场进行调控，为自旋电子学等领域的应用提供了潜力，如多态自旋-谷滤波器[24]、[25]。Salime等人[26]证明了铅烯在高拉伸应变下由于弱键合而发生声子驱动失效，且杨氏模量最低，与其他第四族二维材料相比具有优势，表明其适用于柔性电子设备。Neha等人[27]报告了铅烯在费米能级处的狄拉克特征以及可见光和紫外区域的强光学吸收，表明铅烯是开发光电器件的理想材料。Yue等人[28]采用紧束缚和DFT方法揭示了铅烯中可调的拓扑相，包括量子自旋霍尔效应和量子反常霍尔效应，这可通过化学功能化或施加交换场来实现。此外，Vivek等人[29]对铅烯上的氢吸附进行了研究，显示出有利的吸附能，并证明了其对气体分子的反应活性。凭借其可调带结构、高表面活性和强自旋-轨道耦合（SOC），铅烯在灵敏且选择性气体检测方面具有重大潜力，适用于环境监测和生物医学诊断。

计算细节

我们利用维也纳从头算模拟程序包（VASP）中实现的DFT[30]、[31]进行了一系列第一性原理计算。VASP采用投影缀加平面波（PAW）方法[32]，使用在核心区域内具有局域节点赝势来考虑核心电子在计算中的效应。C（2s2, 2p2）、H（1s1）、O（2s2, 2p?）、N（2s2, 2p3）、F（2s2, 2p?）、S（3s2, 3p?）、As（4s2, 4p3）、Si（3s2, 3p2）和Pb（6s2, 6p2）电子被考虑为价电子。

铅烯的结构参数和电子结构

铅烯是由铅（Pb）原子组成的单层原子厚薄膜，稳定于折叠蜂窝状结构。其晶格常数为4.94 ?，折叠高度为0.92 ?，如图1(a)所示。铅烯中的键长和键角分别为2.99 ?和110.99°。我们计算的结构参数与已有报道[24]、[25]、[26]、[28]、[29]高度一致（见表1）。

为了探索铅烯的电子结构，我们计算了……

应变效应

机械应变在决定二维材料在实际器件应用中的性能方面起着关键作用，特别是FET基气体传感器。在实际器件环境中，应变可能来源于基底相互作用、热膨胀失配或外部机械变形。这种应变会显著影响电子结构、吸附行为和电荷输运特性，从而影响传感器灵敏度和可靠性。因此，……

结论

我们利用DFT结合NEGF形式体系，系统研究了铅烯对一组有毒气体（AsH?、HF、SO?、SiF?、NO）和挥发性生物标志物（丙酮、异戊二烯、戊烷、H?S、H?O）的气体传感性能。大多数分析物通过弱物理吸附进行相互作用，而SO?和丙酮表现出相对较强的结合。方向性输运分析显示，沿扶手椅方向的基线电导率更高，但沿锯齿方向的栅极电场可调性更强。

CRediT作者贡献声明

Pawan Kumar：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、可视化、验证、监督、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念化。Durgesh Kumar Sharma：形式分析、数据整理。Brajesh Kumar：软件、资源。Sudhir Kumar：验证、监督、资源。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本工作得到科学与工程院研究委员会（档案号CRG/2023/005817）的支持。SK感谢在拨款号ANRF/PAIR/2025/000006/PAIR下提供计算设施。作者还感谢纳伊尼塔尔AREIES计算机部门在提供及其"Surya"高性能计算（HPC）设施的便利性和访问权限方面的支持，部分计算在该设施上完成。

Pawan Kumar | Durgesh Kumar Sharma | Brajesh Kumar | Sudhir Kumar

应用物理系，工程与技术学院，M.J.P.罗赫兰德大学，印度巴雷利243006