bor 氮掺杂的单壁碳纳米管的nh3与no2探测器...

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1、硼或氮掺杂的单壁碳纳米管的NH3与NO2探测器的理论研究摘要氨气与二氧化氮在硼或氮掺杂的单壁碳纳米管的吸附特性已通过密度函数计算的方式来研究它在气体传感器方面的应用前景。氨气只有在硼掺杂的碳纳米管拥有合适的电荷转移时才能被吸收。所以硼掺杂的碳纳米管可以成为氨气的探测器。硼和氮掺杂都可以实现碳纳米管的二氧化氮吸收，但是二氧化氮对于硼的束缚力过于强壮，导致气体传感器的恢复时间不合适。由于中等的（最佳的）吸附能以及伴随着碳纳米管和气体分子之间的电荷转移的电导率下降，氮掺杂的碳纳米管作为二氧化氮检测器颇为有前景。1介绍基于首

2、创的[1，2]研究，碳纳米管（CNTs）被认为是检测有毒气体和其他气体的合适对象，例如氨气，二氧化氮以及O2[3–7。即使在低浓度下，气体的化学吸收作用可以通过气体和碳纳米管之间的电荷转移改变碳纳米管的电导率，近期在分离共存的材料[8–15]的金属和碳纳米管方面有了令人欣喜的成果将进一步发展碳纳米管场发射的应用，例如气体检测器等。然而，近期的研究证明，碳纳米管对氧气[2]的电导率的敏感归结于碳纳米管与金属在电子层面的接触[16]，或者是残存contaminant例如钠和催化剂粒子的影响[17]。以氨气为例，碳纳米管只

3、有在水蒸气存在时才对氨化物气体敏感，说明氨水溶液（代替单纯氨气）改变了碳纳米管的电导率[16,18]。这一点已经被其他的实验和理论研究所支持：，的氨气只会周期性的通过范德瓦尔斯力的作用吸附在纯净的碳纳米管上。这种作用导致了几乎没有电荷转移以及能带变化，并且显然不会改变碳纳米管的电导率[19,20]。类似的，二氧化氮也是轻微的的被作用于大于(10,0)的单阱碳纳米管（直径约为0.79nm）而且管子和二氧化氮之间的电荷转移也可以被忽略[21–24]，根据最新的泛函数理论（DFT）的研究，仅仅通过变化本征的碳纳米管的电导率

4、很难检测到二氧化氮和氨气，其他变化是很有必要的，例如，碳纳米管的电容对化学气体有很高的敏感度，可以被当作是合适的化学检测器的基础[25]。掺杂（原子替代）与有机化学物品和生物物品一样也是使得碳纳米管可以检测到气体微粒的一个有前景的方向，由于单阱碳纳米管的吸附特性可以通过引入杂志原子得到提升（例如硼和氮），并且在管壁上形成活跃的点。即使一氧化碳和水分子也可以被硼或氮掺杂的单阱碳纳米管检测到，并且硼掺杂的单阱碳纳米管对于HCN和HCNO分子十分敏感[27,28]。碳氮纳米管同样被发现对于监视有毒物品比本征的碳纳米管更有效

5、。或许是由于管壁中高敏感性的pyridine-like的存在[29]，硼和氮掺杂的碳纳米管是被经常研究的单阱碳纳米管：实验上，这种管子通过硼和氮的置换反应合成[30,31]。C2H2–B2H6的pyrolysis混合物[32]，激光消除，化学蒸汽的淀积（CVD）以及plasma-assisted的CVD。理论上，单阱碳纳米管的硼氮掺杂效果通过DFT被广泛研究着[34–41]。本片论文的核心，二氧化氮和氨气在硼氮掺杂的单阱碳纳米管的吸附特性，并未被系统的研究，在这项工作中，以计算机为基础的DFT以及周期边界条件（PBC

6、）用来阐述掺杂的碳纳米管的电子结构与吸附特性之间的关系，以发现化学检测器设计的一些方法。2.计算方法DFT运算使用维也纳实施的VASP平面波伪势技术（？？）[42–44]，使用PW91函数的广义梯度近似法，以及360ev的平面波基底截止电压在各个计算中都有应用。电子离子的相互作用被超软赝势模式化[46]。假设无限长的（而非被删减的）碳纳米管系统，单面PBC被加在管轴线上。吸附气体分子和它们的1—D周期图像的联系在计算机超晶胞模型中被忽略，其中包含两个细胞的曲折电子管（例如，对于(10,0)SWCNT超晶胞长度c=8.

7、53A）。在几何学最优化的条件下，超晶胞的所有原子的位置都完全自由。五个k点在1-D布里渊区的取样中被使用，而且收敛阈值被限定在10负四次方eV到10负三次方ev。为了进一步搞清楚吸附原子和碳纳米管的，我们采用非自旋极化（？？）密度函数理论加上双倍原子偏振（DNP）的基底[47]以及pw91交换函数，如同在Dmol程序中使用的那样。[47,48]。基于上述通过VASP得到的平衡结构，进一步的几何最优化通过贯穿第一布里渊区的3k点实现，于是，通过21k点，能带结构和电子密度分布可以被计算出来。定义吸附能（Eads）为E

8、ads=[E(NT-gas)-Ent-Egas]].其中E(NT-gas)，Ent，Egas分别代表吸附了气体的碳纳米管的能量，原本碳纳米管的能量以及气体微粒的能量。通过这个定义，Eads小于0时就相当于造成了局部的最小化稳定的放热吸附过程，导致碳纳米管和气体分子的分解。3结论和探讨3.1氨气在本征碳纳米管和掺杂碳纳米管的吸附作用氨气分子优先分