吸附NO2对MoS2纳米带输运性质的影响*

律海朝， 尹海涛

(哈尔滨师范大学光电带隙材料教育部重点实验；哈尔滨师范大学)

0 引言

随着石墨烯材料在气体传感器上的成功应用，越来越多的科学工作者开始关注二维材料[1].二维材料一般只有原子级别的厚度[2]，并且具有大的比表面积和出色的电化学性能[3]，在气体分子检测领域具有良好的表现.实验研究表明二维材料气体传感器拥有比其他传统材料气体传感器更加出色的性能，如二维材料气体传感器的检测能力更灵敏﹑物理结构更简单﹑电化学性能更出色等.当前越来越多研究关注于二维材料的气体传感器，该领域已成为当今热门研究方向，随着研究深入，二维材料为气体传感器领域带来无限可能.

在众多二维材料中，二硫化钼(MoS2)因具有与石墨烯类似的层状结构，且拥有良好的电学、化学、机械与光学性能而得到广泛关注与研究[4].与零带隙的石墨烯不同，单层和多层MoS2材料都具有禁带，是天然的半导体[5].MoS2晶体结构由S-Mo-S三层堆垛而成，层内S原子与Mo原子以共价键结合，Mo-S棱面相当多，层边缘有悬空键，并以较微弱的范德华力结合，所以MoS2容易受外界环境的影响而形成稳定的薄层结构.如陈亮等人通过化学气相沉积法制备出单层MoS2，并研究了不同温度下单层MoS2气敏特性[6].实验结果表明，MoS2对NO2有着较好的吸附效果，并且在不同的温度下，MoS2气体传感器均能正常工作，并且能保持较好的灵敏度.该文设计了一种全新的MoS2器件，选择金属的1T相MoS2为电极，与半导体的2H相MoS2纳米相连，构成全部由MoS2材料构成的器件，通过对中心区吸附NO2与未吸附NO2的MoS2纳米带的输运性质进行对比分析，发现吸附了NO2的MoS2纳米带在偏压小于0.5V时电流一直为0 A，与未吸附NO2的MoS2纳米带在偏压0.3～0.5V之间呈现较大电流相比，存在较大差异.这表明MoS2纳米带在NO2气体传感器上有着良好的应用潜力，NO2传感器的研制同样对环境污染的监测、农业和医学的应用也有着较大的意义[7].

1 模型和计算方法

MoS2纳米带器件分为三部分：左电极，右电极和中心区，图1(a)为MoS2纳米带结构俯视图，图1(b)为MoS2纳米带结构正视图.左右电极部分由半无限长的1T相MoS2组成，中心区域部分由2H相的MoS2和足够长的缓冲层组成，并且在中心区域吸附一个NO2分子.在相邻的纳米带之间插入一个15 Å厚的真空层，以避免带间耦合.

首先，对MoS2的电极和中心区边缘进行加氢钝化，并对其结构进行优化，并在中心区吸附一个NO2分子后进行优化，使得NO2处于合理位置.其次再对电极和中心区连接部分进行局部优化.优化时电子交换关联势采用的是广义梯度近似(GGA)，每个原子受力均小0.01eV/Å.最后再利用密度泛函理论(DFT)与非平衡格林函数(NEGF)相结合的方法的Nanodcal软件包，对器件的输运性质进行模拟.计算时，系统的价电子轨道用双ζ极化基组(DZP)来描述，原子核和内层电子选用标准的非局部守恒赝势描述，基组采用原子轨道线性组合(LCAO)，交换关联泛函采用的是广义梯度近似，在自洽和透射系数计算中，k点取1×1×1.

图1 吸附NO2的MoS2纳米带器件结构模型(a)结构俯视图；(b)结构正视图

当对体系施加偏电压时，电流可以用Landauer-Büttiker公式计算[8]

fR((E,μR)]dE

(1)

其中:μL(μR)表示左(右)电极的化学势，V表示偏压，它们满足关系μL-μR=eV，e是电子电荷，fL和fR分别是左右电极的费米-狄拉克分布函数，T(E,V)是透射系数，其可根据下面公式计算:

Ga=[Gr]†.

2 结果与讨论

平衡态下MoS2纳米带输运性质如图2所示，这里给出给出了MoS2纳米带未吸附NO2和吸附NO2的透射谱(Transmission).从图中可以得知，无论是未吸附NO2的MoS2纳米带还是吸附了NO2的MoS2纳米带，在费米能处都没有透射峰，中心区体现出半导体性质.但两者有较明显的区别：未吸附NO2的MoS2纳米带费米能左侧峰位置较吸附NO2的MoS2纳米带费米能左侧峰位置更接近费米能，这一区别将对两者非平衡态下性质产生影响.

(a)未吸附NO2的透射谱 (b)吸附NO2的透射谱

图3描述了MoS2纳米带的I-V曲线.由图像可以看出，当有电压V施加在两个电极上时，未吸附NO2的MoS2纳米带电流与外加压之间呈现非线性关系。在偏压V<0.25 V时电流几乎为0 A，当偏压V>0.25 V时，电流随着偏压的增大而增大，直到V=0.45 V时电流达到最大，最大电流约为3.8×10-6A.之后当偏压进一步增大时电流反而减小，呈现负的微分电阻效应.与之相比，吸附了NO2的MoS2纳米带在偏压V<0.5 V时电流一直为零，器件始终处于关闭状态.

图3 MoS2纳米带I-V曲线，绿色和蓝色分别表示吸附和未吸附NO2情况

通过分析不同电压下的透射谱，可以进一步直观地了解上述特性，图4给出MoS2纳米带在电压从0～0.5V变化时的透射谱，图中红色虚线表示偏压窗口.从图4(a)中可以看出，在未吸附NO2时，随着电压的增加，透射谱会有小幅移动，在偏压V<0.25V时偏压窗口内一直没有透射峰存在，但当偏压V>0.25 V时，随偏压增加，有一些透射峰逐渐进入偏压窗口内，从而对电流产生贡献，使得电流逐渐增加.而且偏压为0.5 V时的透射峰比0.45 V时的投射峰要低，导致出现负微分电阻现象.在吸附NO2时，在偏压V<0.35 V时偏压窗口内没有透射峰，当偏压V>0.35 V时有一些透射峰移动进入了偏压窗口内如图4(b)所示，但是这些透射峰较窄且峰值很小，对电流产生贡献不大.这使得吸附了NO2的MoS2纳米器件一直处于关闭状态的原因.

3 结束语

利用DFT-NEGF方法研究了吸附NO2的MoS2纳米带的输运性质，研究发现吸附了NO2的MoS2纳米带在偏压小于0.5V时电流一直为零，与未吸附NO2的MoS2纳米带在偏压0.3～0.5 V之间存在较大差异，表明MoS2纳米带在NO2气体传感器上具有良好的应用潜力.该研究结果对基于MoS2纳米带的NO2气体传感器的设计和制备有一定指导意义.

(a)未吸附NO2的透射谱 (b)吸附NO2的透射谱