Abstract
To enhance the performance of phosphorene-based gas sensors made with aluminium-doped phosphorene. The study employed the Density Functional Theory (DFT) method for ground states to investigate the structural and electronic properties of toxic gases (CO, H2S, and NO) adsorbed on Al-doped phosphorene surface compared with pristine phosphorene. Then, the Time-Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) method for excited states was used to study the UV-vis spectrum. The results demonstrated that the nitrogen monoxide adsorbed on pure phosphorene surface as a NO/P showed the strongest adsorption, reaching to -2.3 eV, while nitrogen monoxide adsorbed on Al-doped phosphorene surface as a NO/Al-P showed the weakest adsorption, reaching to +1 eV. Furthermore, the energy gap of the Al-doped phosphorene (Al-P) reduced to 1.66 eV, while that of pure phosphorene (P) reached to1.73 eV. Based on the calculated energy gap values, the highest sensitivity for nitrogen monoxide adsorbed on the aluminium-doped phosphorene (NO/Al-P) surface reached to 40%, which is 10 times greater than the sensitivity of the sensor for pristine phosphorene (NO/P) at 4%. UV-Vis spectroscopic characteristics observed that the spectrum shifts towards the infrared region, extending from 3200 to 9400 nm. Our study proposes a simple and effective strategy for producing high-performance phosphorene-based gas sensors for nitrogen monoxide detection.
Keywords
Al-phosphorene
DFT
Nanosensor
Phosphorene
TD-DFT
Abstract
لتحسين أداء مستشعرات الغاز القائمة على الفوسفورين التي يتم إجراؤها بواسطة الفسفورين المطعّم بالألمنيوم. أجريت الدراسة باستخدام نظرية دالة الكثافة (DFT) للحالات الارضية للتحقيق في الخصائص الهيكلية والإلكترونية للغازات السامة (CO، H2S و NO) الممتزة على سطح الفسفورين المطعَّم بالألمنيوم بالمقارنة مع الفوسفورين البكر. بعد ذلك، تم استخدام نظرية دالة الكثافة المعتمدة على الزمن (TD-DFT) للحالات المثارة لدراسة طيف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية. خلُصنا الى أن غاز أول أكسيد النيتروجين الممتز على سطح الفسفورين النقيNO/P كشف عن أقوى طاقة امتزاز، وصلت إلى -2.3 الكترون فولت، بينما كشف غاز أول أكسيد النيتروجين الممتز على سطح الفسفورين المطعّم بالألمنيوم NO/Al-Pعن أضعف طاقة امتزاز، وصلت إلى 1+ الكترون فولت. علاوةً على ذلك، تم تقليل فجوة الطاقة في الفسفورين المطعَّم بالألمنيوم Al-P إلى 1.66 الكترون فولت، بينما كانت فجوة الطاقة للفسفورين البكر P إلى 1.73 فولت. بناءاً على القيم المحسوبة لفجوة الطاقة، وصلت أعلى حساسية لأول أكسيد النيتروجين الممتز على سطح الفسفورين المطعَّم بالألمنيوم (NO/Al-P) إلى 40 %، وهذه النسبة أكبر بـ 10 مرات من حساسية المستشعر للفسفورين البكر (NO/P) عند 4 %. إذ أظهرت الخصائص الطيفية للأشعة فوق البنفسجية -المرئية أن الطيف يتحول إلى منطقة الأشعة تحت الحمراء، ويمتد بين 3200 - 9400 نانومتر. تقترح دراستنا استراتيجية بسيطة وفعالة لإنتاج مستشعرات غاز عالية الأداء قائمة على الفسفورين للكشف عن غاز أول أكسيد النيتروجين