Gasdetectoren die kleine hoeveelheden verontreinigende stoffen kunnen detecteren, kunnen helpen de luchtkwaliteit beter te bewaken. Onderzoekers van de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saoedi-Arabië hebben een tweedimensionaal elektronisch materiaal ontdekt dat zeer gevoelig is voor gasmoleculen. zoals koolstofdioxide (CO2), stikstofoxiden (NOx) en ammoniak (NH3).

Atomair dunne platen bestaande uit overgangsmetalen geassocieerd met chalcogeenatomen, zoals zwavel, selenium en tellurium, zijn veelzijdige alternatieven voor de meer conventionele halfgeleiders op basis van silicium. Afhankelijk van hun metalen component, deze overgangsmetaal-dichalcogenide-monolagen hebben bandhiaten - energiebarrières die de elektronenstroom door een materiaal beperken - die kunnen worden afgestemd om hun elektronische eigenschappen te veranderen.

De unieke elektronische eigenschappen van deze monolagen hebben het potentieel om een ​​overvloed aan apparaten te verbeteren, inclusief veldeffecttransistoren, fotodetectoren en gassensoren.

Het is bewezen dat halfgeleidende monolagen ideale kandidaten zijn als gasgevoelige materialen omdat ze een hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding hebben. Bijvoorbeeld, MoS2 is ingebouwd in veldeffecttransistoren om stikstofmonoxide te detecteren. Echter, de prestaties worden beperkt door de relatief lage mobiliteit van de drager of door de snelheid waarmee de elektronen (of gaten) bewegen wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld.

Om deze tekortkomingen te verhelpen, Het team van KAUST-professor Udo Schwingenschlögl evalueerde het potentieel van het platina dichalcogenide PtSe2 voor gebruik in gasdetectoren via geavanceerde computertechnieken.

"Monolaag PtSe2 vertoont experimenteel een hoge mobiliteit van dragers, wat voordelig kan zijn voor gasdetectie, " zei Schwingenschlögl, eraan toevoegend dat dit materiaal niet eerder voor dit doel in aanmerking was genomen. Deze benadering toont de interactie tussen monolaag- en gasmoleculen op zowel structureel als elektronisch niveau.

Eerst, de onderzoekers bouwden een modelmonolaag bestaande uit seleniumatomen die octaëdrische arrangementen vormden met één platina-atoom in hun midden. Volgende, ze bepaalden de optimale geometrie die werd aangenomen door individuele gasmoleculen, zoals NOx, NH3, H2O, CO2 en CO, bij adsorptie. Ze beoordeelden het vermogen van deze geadsorbeerde moleculen om lading over te dragen naar de monolaag door adsorptie-geïnduceerde veranderingen in de elektronische eigenschappen te onderzoeken.

Deze berekeningen leverden hoge adsorptie-energieën op, wat wijst op een sterke affiniteit tussen monolaag- en gasmoleculen. Alle geadsorbeerde moleculen veranderden de monolaaglading (zie afbeelding), wat de sleutel is voor het gasdetectievermogen van monolaag PtSe2.

Verder, hun interacties waren effectiever met monolaag PtSe2 dan zijn MoS2 of op koolstof gebaseerde grafeen-analogen. "Het was opwindend om dit verschil op moleculair orbitaal niveau te verklaren, " zei Schwingenschlögl. Berekeningen van elektronentransport onthulden de hoge gevoeligheid van monolaag PtSe2 als gassensor.