锗烯及其衍生物的有机小分子气体传感器传感机理与性能的理论研究

Due to the specific surface-to-volume ratio and low electrical noise of two-dimensional material, which can provide an ideal carrier for adsorbing small organic molecule, it is possible to enhance the fundamental properties of gas sensor for detecting small organic molecule. Therefore, it is an important project to investigate the intrinsic interaction mechanism of small organic molecule sensor. By building single molecule junction model of small organic molecule adsorbing on the surface of germanene and its ramification, combining density functional theory with nonequilibrium green function, this research project aims at systematically studying the electronic properties, charge transition and distribution, microcosmic electronic transport properties of germanene and its ramification, and then revealing the intrinsic interaction mechanism of the gas sensor. Moreover, by analyzing the major factors for influencing the properties of sensor, we can tune its basic capabilities by use of different methods and provide theoretical guide for preparing gas sensor experimentally in the future.

二维材料由于具有极高的比表面，为有机小气体分子的有效吸附提供了理想的载体，加上二维材料本身较低的电噪声，这些特点为提高有机小气体分子传感器的基本特性提供了可能。因此，研究基于二维材料的有机小分子气体传感器及其内在传感机理已成为一个重要的课题。本项目拟通过建立有机气体小分子在锗烯及其衍生物表面吸附的单分子结模型，应用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法，系统研究锗烯及其衍生物在有机小分子气体吸附时的电子结构、电荷分布与转移、微观电子输运特性等，揭示锗烯及其衍生物作为有机小分子气体传感器的传感机理，分析影响其传感特性的主要因素，并尝试采用不同方法调控其基本性能，为改善传感器工作特性及日后实验上制备理想的有机小分子气体传感器提供理论参考。

二维材料由于具有极高的比表面，为有机气体分子的有效吸附提供了理想的载体，加上二维材料本身较低的电噪声，这些特点为提高有机气体分子传感器的基本特性提供了可能。本项目通过建立有机气体分子在锗烯及其衍生物表面的吸附模型，应用基于密度泛函理论的第一性原理方法，系统的研究了锗烯及其衍生物在有机分子气体吸附时的电子结构、电荷分布与转移、微观电子输运特性等，揭示了敏感材料吸附有机分子导致体系电荷转移与电子结构变化并最终产生电子电导变化的传感机理。研究结果发现，乙炔、乙醇、甲醇、甲烷、氨气等有机小分子吸附在锗烯表面时，具有最大吸附能的分子吸附将伴随最小的吸附距离、最大的电荷转移及最大的打开锗烯带隙，而锗烯带隙的打开与电荷转移量的大小也会随氨气分子的吸附浓度线性变化；TTF分子吸附会在锗烷的能带结构中引入施主态从而形成典型的n型掺杂效应；相反，TCNB分子吸附则会在锗烷的能带结构中引入受主态从而形成典型的p型掺杂效应；而无论全氢化的锗烯（锗烷）还是半氢化的锗烯，都对TCNQ分子具有高度的敏感性。当施加电场作用于甲烷/锗烯或氨气/锗烯体系时，外加电场可以线性的调控其电子结构和电荷转移，使其带隙按照需要进行开关；对于TTF和TCNB在锗烷表面的吸附而言，外加电场的作用还可在锗烷中形成可调控的分子掺杂效应，当正的外电场强度达到0.15 V/Å时，TTF分子甚至可以成为电子受体分子。当施加双轴应变于TTF/锗烷与TCNQ/半氢化锗烯体系时，同样能灵活地调控吸附体系的电子结构与分子掺杂效应，尤其是对应变极为敏感的半氢化锗烯/TCNQ体系而言，当0.5%-1.5%的应变作用于体系时，体系甚至能完成从金属-磁性半导体-金属的转换。上述这些研究结果与重要数据为改善传感器工作特性及日后实验上制备理想的有机分子气体传感器均提供了理论参考。