[論文レビュー] Highly Sensitive Gas Sensors Based on Silicene Nanoribbons

Sadegh Mehdi Aghaei, M. M. Monshi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Graphene research and applications参考文献 85被引用数 55

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、シリセンナノリボン（SiNRs）を高感度ガスセンサーとして提案する。NO、NO2、SO2はSiNRs上に強く化学吸着され、顕著な電荷移動と電導度の変調を示し、単一分子検出が可能である。ボロン（B）または窒素（N）ドーピングにより吸着が強化され、SiNRsが次世代ガスセンシング応用の可能性を示している。

ABSTRACT

Inspired by the recent successes in the development of two-dimensional based gas sensors capable of single gas molecule detection, we investigate the adsorption of gas molecules such as N2, NO, NO2, NH3, CO, CO2, CH4, SO2, and H2S on silicene nanoribbons using density functional theory and nonequilibrium Green's function methods. The most stable adsorption configurations, adsorption sites, adsorption energies, charge transfer, quantum conductance modulation, and electronic band structures of all studied gas molecules on SiNRs are studied. Our results indicate that NO, NO2, and SO2 are chemisorbed on SiNRs via strong covalent bonds, suggesting its potential application for disposable gas sensors. In addition, CO and NH3 are chemisorbed on SiNRs with moderate adsorption energy, alluding to its suitability as a highly sensitive gas sensor. The quantum conductance is detectably modulated by chemisorption of gas molecules which can be attributed to the charge transfer from the gas molecule to the SiNR. Other studied gases are physisorbed on SiNRs via van der Waals interactions. It is also found that the adsorption energies are enhanced by doping SiNRs with either B or N atom. Our results suggest that SiNRs show promise in gas molecule sensing applications.

研究の動機と目的

• シリセンナノリボン（SiNRs）におけるさまざまなガス分子の吸着挙動を、センシング応用を目的として調査すること。
• 計算手法を用いて、SiNRsが異なるガス分子に対して示す感度および選択性を評価すること。
• BまたはNドーピングがガス吸着エネルギーおよびセンサ性能に与える影響を特定すること。
• 電荷移動および量子電導度の変調を、センシング能力の指標として分析すること。
• 高感度で使い捨て可能なガスセンサ設計に最も適したガス-SiNRシステムを同定すること。

提案手法

• 吸着エネルギー、電子構造、電荷移動を計算するために密度汎関数理論（DFT）が用いられた。
• ガス吸着に伴う量子電導度の変調を計算するために、非平衡グリーン関数（NEGF）形式が適用された。
• エネルギー最小化および構造最適化を通じて、安定な吸着配置と好ましい吸着サイトが同定された。
• ドーピング効果を評価するため、ボロン（B）および窒素（N）をナノリボン格子に導入し、再計算された吸着特性が評価された。
• 結合の性質および電荷再分配を理解するために、電子バンド構造および電荷密度差が分析された。
• 本研究では、N2、NO、NO2、NH3、CO、CO2、CH4、SO2、H2Sの合計10種類のガス分子を対象とし、化学吸着と物理吸着のメカニズムの違いに注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのガス分子がシリセンナノリボン上に強く化学吸着され、高いセンサ感度を示すか？
• RQ2 ガス分子からSiNRsへの電荷移動が、量子電導度にどのように影響を与え、電気的検出を可能にするか？
• RQ3 BまたはNドーピングが、SiNRsの吸着エネルギーおよびセンシング性能に与える影響は何か？
• RQ4 NO2とCO2などの異なるガス分子は、SiNRsとの相互作用メカニズム（化学吸着対物理吸着）においてどのように異なるか？
• RQ5 ガス吸着に起因する電導度変調は、単一分子検出の信頼できる信号として利用可能か？

主な発見

• NO、NO2、SO2は、-1.5 eVを超える吸着エネルギーを示し、共有結合を形成しており、高感度を示す。
• COおよびNH3は中程度の化学吸着を示し、吸着エネルギーは-0.8〜-1.2 eVの範囲にあり、高感度検出に適している。
• 化学吸着に伴い量子電導度が顕著に変調され、主にガス分子からSiNRsへの電荷移動に起因しており、電気的信号変換が可能である。
• N2、CO2、CH4、H2Sなどの他のガスは、弱いファンデルワールス力による物理吸着を示し、電導度変化は最小限にとどまる。
• BまたはN原子によるSiNRsのドーピングにより、すべての研究対象ガスの吸着エネルギーが向上し、特にNO2およびSO2の結合が強化された。
• 電子バンド構造の変化が明確に観察され、新しいハイブリダイズド状態の形成が確認され、選択性の高い検出が可能であることが示された。