First-principles study of highly sensitive graphene/hexagonal boron nitride heterostructures for application in toxic gas-sensing devices

Bài báo thuộc danh mục ISI/Scopus, Q1 do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn – Giảng viên Vật lý- khoa Khoa học cơ bản- Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội; TS. Lương Thị Thêu- Đại học Hòa Bình; TS. Trần Quang Huy- Trường Đại học Sư phạm 2; TS. Phùng Thị Việt Bắc- Trường Đại học VinUniversity; GS.TS. Đinh Văn An- Trường Đại học Osaka, Nhật Bản; ThS. Phạm Bá Lịch- Đại học Paris-Saclay, Pháp; Ths.Nguyễn Võ Anh Duy; TS. Đặng Minh Triết- Đại học Cần Thơ; đăng trên tạp chí RSC advances, tập 14 số 7 từ trang 4904 đến trang 4916 do nhà xuất bản Royal Society of Chemistry xuất bản ngày 06 tháng 2 năm 2024.

Trong bài báo, nhóm tác giả dùng lý thuyết DFT chứng minh rằng, vật liệu hai chiều graphene đặt trên nền boron nitride lục giác (h-BN) hai chiều có đặc tính phù hợp để làm cảm biến khí độc với độ sai lệch mạng nhỏ cỡ 1,8 %. Sự kết hợp giữa graphene với boron nitride dạng lục giác hai chiều dẫn đến sự mở rộng vùng cấm của graphene cỡ 38 meV và làm tăng một chút công bề mặt của graphene. Sự hình thành cấu trúc dị thể graphene/h-BN không làm thay đổi cơ chế hấp vụ vật lý với khí độc nhưng lại tăng cường đáng kể sự nhạy khí độc của đế graphene. So với graphene không hình thành dị thể, năng lượng hấp phụ của graphene/h-BN lớn hơn 13,78% khi hấp phụ khí NO và khoảng cách hấp phụ giữa khí và đế giảm khá đáng kể. Nghiên cứu cũng chỉ ra cấu trúc dị thể graphene/h-BN có tính chọn lọc cao hơn đối với khí NOx và trơ hơn đối với khí COx, do sự hình thành cấu trúc dị thể làm thay đổi lượng điện tích chuyển từ đế graphene/h-BN sang các phân tử khí bị hấp phụ. Sử dụng các hàm Green bán thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra sự thay đổi lượng điện tích dịch chuyển từ đế graphene/h-BN sang các phân tử khí dẫn đến dòng điện đi qua các vùng tán xạ bằng vật liệu này bị giảm khá đáng kể so với đế bằng graphene. Những kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả đã chứng minh rằng cấu trúc dị thể graphene/h-BN có thể được khai thác làm cảm biến khí ở nhiệt độ phòng có độ nhạy cao và tính chọn lọc tốt để phát hiện khí độc trong không khí.

Abstract: Graphene-based sensors exhibit high sensitivity, fast response, and good selectivity towards toxic gases but have low mechanical stability. The combination of graphene and two-dimensional hexagonal boron nitride (h-BN) is expected to increase the mechanical stability and enhance the adsorption performance of these gas sensors. Using first-principles calculations, we demonstrate that two-dimensional graphene/h-BN double layers can be used as good substrates for gas sensors with a small lattice mismatch of only 1.78%. Moreover, the presence of a h-BN layer widens the band gap by about 38 meV and considerably increases the work function, thus positively affecting the gas adsorption performance. Although these graphene/h-BN heterostructures do not change the physical adsorption mechanism of these sensors concerning the graphene-based materials, these bilayers significantly enhance the sensitivity of these sensors for detecting CO2, CO, NO, and NO2 toxic gases. Particularly, compared to the pristine graphene-based materials, the gas adsorption energies of graphene/h-BN increased by up to 13.78% for the adsorption of NO, and the shortest distances between the graphene/h-BN substrates and adsorbed gas molecules decreased. We also show that the graphene/h-BN heterostructure is more selective towards NOx gases while more inert towards COx gases, based on the different amounts of charge transferred from the substrate to the adsorbed gas molecules. Using the non-equilibrium Green functions in the context of density functional theory, we quantitatively associated these charge transfers with the reduction of the current passing through these scattering regions. These results demonstrate that graphene/h-BN heterostructures can be exploited as highly sensitive and selective room-temperature gas sensors for detecting toxic gases.

Keywords: Graphene-based; combination of graphene; NOx gases; COx gases

Toàn văn bài báo tải về tại đây: DOI: 10.1039/D3RA08017J

Một vài hình vẽ trong bài báo