氣體傳感是航空航天、軍事、醫(yī)療以及工業(yè)環(huán)境等應(yīng)用的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，它有助于預(yù)防有毒有害氣體對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境造成的風(fēng)險(xiǎn)。在家庭和工業(yè)環(huán)境中，丙烷和丁烷通常被用作燃料，是有毒且易燃?xì)怏w，這種氣體通常需要有效檢測(cè)以避免泄漏或引發(fā)爆炸事故。為了解決這一問(wèn)題，研究人員正在開(kāi)發(fā)具有低功耗、低工作溫度的基于納米材料的氣體傳感器。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，阿聯(lián)酋大學(xué)（United Arab Emirates University）與艾因大學(xué)（Al Ain University）組成的科研團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了以“Detection of butane and propane gases via C?N sensors: first principles modeling”為主題的論文。該論文的第一作者為Asma Wasfi，通訊作者為Falah Awwad。

這項(xiàng)研究工作對(duì)利用C?N識(shí)別丙烷和丁烷的氣體傳感器的開(kāi)發(fā)和表征開(kāi)展了全面研究。該研究工作首先介紹了傳感器的設(shè)計(jì)和構(gòu)造，概述了為提高其性能而做出的設(shè)計(jì)修改。隨后，詳細(xì)描述了所采用的計(jì)算方法，即使用Quantumwise Atomistix Toolkit（ATK）進(jìn)行第一性原理模擬，以闡明C?N傳感器的電子輸運(yùn)特性。本文介紹了C?N傳感器在氣體傳感技術(shù)方面取得的進(jìn)展，并強(qiáng)調(diào)了其在小尺寸、低成本氣體傳感應(yīng)用中的前景。

圖1展示了所采用的納米級(jí)傳感器的構(gòu)造。C?N系統(tǒng)主要包含C?N電極和由單層C?N組成的C?N中心區(qū)域，不包含柵極。圖2顯示了目標(biāo)分子丁烷（如圖2a）和丙烷（如圖2b）的原子結(jié)構(gòu)，突出了它們獨(dú)特的化學(xué)和電子組成。

圖1 由QuantumATK模擬的基于C?N的器件

圖2 兩種目標(biāo)分子的原子結(jié)構(gòu)

圖3描繪了含有丁烷分子的C?N傳感器結(jié)構(gòu)。圖1通道內(nèi)突出的空心位點(diǎn)代表了目標(biāo)分子最穩(wěn)定的吸附位點(diǎn)，因?yàn)樗梢杂行矫總€(gè)氣體分子。

圖3 帶有丁烷分子的C?N傳感器示意圖

隨后，為了增強(qiáng)圖1所示C?N器件的性能，將C?N電極替換為金（Au）電極，并在通道下方放置柵極端子，形成基于C?N的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（如圖4所示），可用于檢測(cè)丙烷和丁烷氣體分子。所構(gòu)建的傳感器包括兩個(gè)金電極、形成通道的單層C?N以及柵極端子。

圖4 增強(qiáng)型C?N傳感器示意圖
（黃色- Au元素、灰色-C元素、藍(lán)色-N元素、白色-氫元素）

接著，為了分析該傳感器的電子輸運(yùn)特性，研究人員對(duì)裸C?N器件（如圖1）和C?N晶體管（如圖4）攜帶每種目標(biāo)氣體分子時(shí)的電子電流、狀態(tài)密度和透射譜等因素進(jìn)行了詳細(xì)探究。對(duì)該傳感器的研究采用了第一性原理建模技術(shù)進(jìn)行精確模擬。

綜上所述，這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了一種新型且經(jīng)濟(jì)型的二維氮化多孔石墨烯納米帶傳感器，用于檢測(cè)家庭環(huán)境的氣體泄漏，對(duì)現(xiàn)有領(lǐng)域有著重大貢獻(xiàn)。該研究介紹了C?N傳感器在丁烷和丙烷氣體檢測(cè)中的應(yīng)用。通過(guò)將電極替換為金電極并增加?xùn)艠O端子，大大增強(qiáng)了該傳感器的性能，從而提高了其靈敏度和精確檢測(cè)能力。研究結(jié)果表明，所提出的C?N傳感器是一種經(jīng)濟(jì)且高效的氣體傳感解決方案。檢測(cè)常用燃料丙烷和丁烷氣體的能力，對(duì)于在家庭和工業(yè)環(huán)境中預(yù)防泄漏和爆炸事故具有重要意義。

審核編輯：彭菁