Pt修饰AlN单层对C2H6和C6H6吸附和气敏特性的第一性原理研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2024.0314

摘要/Abstract

摘要： 本文采用第一性原理计算方法系统研究了C₂H₆和C₆H₆两种有机气体在氮化铝（AlN）单层及Pt修饰AlN的吸附特性。研究结果表明：对于C₂H₆，当其吸附在本征AlN单层上时，表现出较小的吸附能和电荷转移量，导致AlN单层对C₂H₆的敏感性较差；在Pt修饰后，AlN单层对C₂H₆的吸附性能没有明显提高。相比之下，Pt修饰提高了AlN单层对C₆H₆的吸附能力，Pt修饰AlN对C₆H₆的吸附能为-0.564 eV，通过带隙和功函数的变化，Pt修饰AlN单层对C₆H₆表现出更高的灵敏度。此外，适中的吸附能量和在室温下较短的恢复时间（3.45×10^-4 s）表明，Pt修饰的AlN单层在检测C₆H₆分子时还具有良好的可重复性。研究为C₂H₆和C₆H₆在Pt修饰AlN单层上的吸附行为提供了详细的微观解析，可促进AlN基材料在气敏领域的应用。

关键词: 氮化铝单层; 吸附; Pt修饰; 第一性原理; 电子结构; 乙烷; 苯

Abstract: This paper systematically studied the adsorption characteristics of C₂H₆and C₆H₆on aluminum nitride （AlN） and Pt modified AlN monolayers using first-principles calculations. The research results indicate that， for C₂H₆， intrinsic AlN monolayer exhibits lower adsorption energy and charge transfer amount， resulting in poor sensitivity of AlN monolayer to C₂H₆. Further research has shown that even after Pt modification， the adsorption performance of AlN monolayers for C₂H₆ has not significantly improved. Therefore， AlN is not suitable as a gas sensing material for detecting C₂H₆. In contrast， the adsorption energy of C₆H₆on Pt modified AlN monolayer is -0.564 eV， indicating that Pt modification enhances the adsorption capacity of AlN monolayers for C₆H₆. In addition， due to changes in bandgap and work function， Pt modified AlN monolayers exhibit higher sensitivity to C₆H₆. More importantly， the moderate adsorption energy and short recovery time at room temperature （3.45×10^-4 s） indicate that Pt modified AlN monolayers have high sensitivity and good repeatability in detecting C₆H₆ molecules. The research results provide a microscopic explanation for the adsorption behavior of C₂H₆ and C₆H₆ on Pt modified AlN monolayers， promoting the further application of AlN based materials in the field of gas sensing.

Key words: AlN monolayer; adsorption; Pt modify; first-principles; electronic structure; C₂H₆; C₆H₆

中图分类号:

O647.3

莫秋燕, 吴家隐, 荆涛. Pt修饰AlN单层对C₂H₆和C₆H₆吸附和气敏特性的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 1050-1060.

MO Qiuyan, WU Jiayin, JING Tao. First-Principle Study on the Gas Sensing Properties of C₂H₆ and C₆H₆ with Pt Modified AlN Monolayer[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(6): 1050-1060.

图/表 14

图1 （a）本征AlN单层最稳定构型；（b） Pt-AlN单层最稳定构型；（c） Pt-AlN单层的差分电荷密度图

Fig.1 （a） The most stable configuration of intrinsic AlN monolayer；（b） the most stable configuration of Pt-AlN monolayer；（c） differential charge density plot of Pt-AlN monolayer

图2 （a）本征AlN单层的能带结构；（b）Pt-AlN单层的能带结构；（c） Pt-AlN单层的态密度

Fig.2 （a） Band structure of intrinsic AlN monolayer；（b） band structure of Pt-AlN monolayer；（c） density of states of Pt-AlN monolayer

图3 本征AlN单层吸附气体分子在H位不同的吸附方式

Fig.3 Different adsorption modes of intrinsic AlN monolayer adsorbed gas molecules at the H site

表1 本征AlN单层吸附C2H6和C6H6气体分子在不同位点及不同构型的能量

Table 1 Energy of C2H6 and C6H6 gas molecules adsorbed by intrinsic AlN monolayer at different sites and configurations

Adsorption site	Adsorption configuration	Energy/eV	Adsorption site	Energy/eV
H	i	-389.763	TAl	-389.788
	ii	-389.717		-389.737
	I	-425.968		-425.556
	II	-425.598		-425.584
	III	-425.413		-425.488
TN	i	-389.765	B	-389.739
	ii	-389.738		-389.729
	I	-425.813		-425.908
	II	-425.743		-425.627
	III	-425.504		-425.434

图4 本征AlN单层吸附气体分子的最稳定构型

Fig.4 The most stable configuration of intrinsic AlN monolayer adsorbed gas molecules

表2 本征AlN单层吸附C2H6和C6H6气体分子的吸附能（Ead）、吸附距离（d）、电荷转移（?Q）、带隙（Eg）和功函数（Φ）

Table 2 Adsorption energy （Ead）， adsorption distance （d）， charge transfer （?Q）， band gap （Eg） and work function （Φ） of C2H6 and C6H6 gas molecules adsorbed by intrinsic AlN monolayer

	E_ad/eV	d/Å	∆Q/e	E_g/eV	$Φ$ /eV
C₂H₆/AlN	-0.184	2.990	0.022	2.897	5.238
C₆H₆/AlN	-0.170	3.030	0.057	2.877	5.086
C₂H₆/Pt-AlN	-0.091	3.537	0.001	1.926	5.256
C₆H₆/Pt-AlN	-0.564	3.273	0.051	2.335	5.068

表2 本征AlN单层吸附C2H6和C6H6气体分子的吸附能（Ead）、吸附距离（d）、电荷转移（?Q）、带隙（Eg）和功函数（Φ）

	E_ad/eV	d/Å	∆Q/e	E_g/eV	$Φ$ /eV
C₂H₆/AlN	-0.184	2.990	0.022	2.897	5.238
C₆H₆/AlN	-0.170	3.030	0.057	2.877	5.086
C₂H₆/Pt-AlN	-0.091	3.537	0.001	1.926	5.256
C₆H₆/Pt-AlN	-0.564	3.273	0.051	2.335	5.068

图5 本征AlN单层吸附气体分子的差分电荷密度图

Fig.5 Differential charge density map of gas molecules adsorbed by intrinsic AlN monolayer

图6 本征AlN单层吸附气体分子的电子结构

Fig.6 Electronic structure of gas molecules adsorbed by intrinsic AlN monolayer

图7 Pt-AlN单层吸附气体分子在H位不同的吸附方式

Fig.7 Different adsorption modes of gas molecules adsorbed by Pt-AlN monolayer at the H site

表3 Pt-AlN单层吸附C2H6和C6H6气体分子在不同位点及不同构型的能量

Table 3 Energy of C2H6 and C6H6 gas molecules adsorbed by Pt-AlN monolayer at different sites and configurations

Adsorption site	Adsorption configuration	Energy/eV	Adsorption site	Energy/eV
H	pi	-394.872	TAl	-394.843
	pii	-395.074		-394.872
	vi	-394.988		-394.882
	PI	-430.931		-430.615
	VI	-430.646		-430.773
	VII	-430.546		-430.525
	VIII	-430.788		-430.688
TN	pi	-394.802	B	-394.768
	pii	-394.920		-394.912
	vi	-394.870		-394.843
	PI	-430.684		-430.640
	VI	-430.750		-430.702
	VII	-430.645		-430.529
	VIII	-430.711		-430.788

图8 Pt-AlN吸附气体分子的最稳定构型

Fig.8 The most stable configuration of gas molecules adsorbed by Pt-AlN

图9 Pt-AlN吸附气体分子的差分电荷密度图

Fig.9 Differential charge density plot of gas molecules adsorbed by Pt-AlN

图10 Pt-AlN吸附气体分子的电子结构

Fig.10 Electronic structure of gas molecules adsorbed by Pt-AlN

图11 Pt-AlN吸附气体分子的恢复时间和功函数

Fig.11 Recovery time and work function of gas molecules adsorbed by Pt-AlN

参考文献 24

1	CAMINO-SÁNCHEZ F J， ZAFRA-GÓMEZ A， PÉREZ-TRUJILLO J P， et al. Validation of a GC-MS/MS method for simultaneous determination of 86 persistent organic pollutants in marine sediments by pressurized liquid extraction followed by stir bar sorptive extraction［J］. Chemosphere， 2011， 84（7）： 869-881.
2	SRIVASTAVA M， SRIVASTAVA A. Cu decorated functionalized graphene for Arsenic sensing in water： a first principles analysis［J］. Applied Surface Science， 2021， 560： 149700.
3	CHANG Y Z， LIN J N， LI S D， et al. Adsorption of greenhouse gases （methane and carbon dioxide） on the pure and Pd-adsorbed stanene nanosheets： a theoretical study［J］. Surfaces and Interfaces， 2021， 22： 100878.
4	NI J M， YANG Z W， SHEN Y， et al. Volatile organic compounds gas molecule adsorption on Fe-MoS₂ monolayer： the first-principles study［J］. Chemical Physics Letters， 2023， 813： 140298.
5	ZHAO W N， YUN N， DAI Z H， et al. A high-performance trace level acetone sensor using an indispensable V₄C₃T _x MXene［J］. RSC Advances， 2020， 10（3）： 1261-1270.
6	CASTRO NETO A H， GUINEA F， PERES N M R， et al. The electronic properties of graphene［J］. Reviews of Modern Physics， 2009， 81（1）： 109-162.
7	GILLGREN N， WICKRAMARATNE D， SHI Y M， et al. Gate tunable quantum oscillations in air-stable and high mobility few-layer phosphorene heterostructures［J］. 2D Materials， 2015， 2（1）： 011001.
8	CUI Z， WANG X， DING Y C， et al. Adsorption of CO， NH₃， NO， and NO₂ on pristine and defective g-GaN： improved gas sensing and functionalization［J］. Applied Surface Science， 2020， 530： 147275.
9	GUO Y H， ZHANG Y M， WU W X， et al. Transition metal （Pd， Pt， Ag， Au） decorated InN monolayer and their adsorption properties towards NO₂： density functional theory study［J］. Applied Surface Science， 2018， 455： 106-114.
10	CHETTRI B， PATRA P K， HIEU N N， et al. Hexagonal boron nitride （h-BN） nanosheet as a potential hydrogen adsorption material： a density functional theory （DFT） study［J］. Surfaces and Interfaces， 2021， 24： 101043.
11	LOPES LIMA K A， RIBEIRO L A. A DFT study on the mechanical， electronic， thermodynamic， and optical properties of GaN and AlN counterparts of biphenylene network［J］. Materials Today Communications， 2023， 37： 107183.
12	ZHANG Y X， HOU Q Y. First-principles study of the effect of alkaline earth metal doping on the magnetic and photocatalytic properties of monolayer AlN： vn-Hi［J］. Applied Surface Science， 2023， 637： 157831.
13	WANG Y S， SONG N H， SONG X Y， et al. A first-principles study of gas adsorption on monolayer AlN sheet［J］. Vacuum， 2018， 147： 18-23.
14	TONNY I J， KHATUN M， ROY D， et al. A first-principles investigation of BF₃ and ClF₃ gas sensing on N-defected AlN nanosheets［J］. AIP Advances， 2024， 14（4）： 045136.
15	HUSSEIN T A， ALAARAGE W K， ABDULHUSSEIN H A， et al. Ga-doped AlN monolayer nano-sheets as promising materials for environmental sensing applications［J］. Computational and Theoretical Chemistry， 2023， 1223： 114086.
16	FENG C， QIN H B， YANG D G， et al. First-principles investigation of the adsorption behaviors of CH₂O on BN， AlN， GaN， InN， BP， and P monolayers［J］. Materials， 2019， 12（4）： 676.
17	KRESSE G， FURTHMÜLLER J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set［J］. Physical Review B， 1996， 54（16）： 11169-11186.
18	KRESSE G， FURTHMÜLLER J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set［J］. Computational Materials Science， 1996， 6（1）： 15-50.
19	PERDEW J P， BURKE K， ERNZERHOF M. Generalized gradient approximation made simple［J］. Physical Review Letters， 1996， 77（18）： 3865-3868. DOI PMID
20	GRIMME S. Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction［J］. Journal of Computational Chemistry， 2006， 27（15）： 1787-1799. PMID
21	TSIPAS P， KASSAVETIS S， TSOUTSOU D， et al. Evidence for graphite-like hexagonal AlN nanosheets epitaxially grown on single crystal Ag（111）［J］. Applied Physics Letters， 2013， 103（25）： 251605.
22	XIAO G， WANG L L， RONG Q Y， et al. A comparative study on magnetic properties of Mo doped AlN， GaN and InN monolayers from first-principles［J］. Physica B： Condensed Matter， 2017， 524： 47-52.
23	SHEN F G， WANG M， SU J， et al. Ab initio study on electronic structure and magnetism of AlN and InSe monolayer［J］. Physica B： Condensed Matter， 2024， 674： 415553.
24	QIU P L， QIN Y X， BAI Y N， et al. Gas selectivity regulation of monolayer SnS by introducing nonmetallic dopants： a combined theoretical and experimental investigation［J］. Applied Surface Science， 2021， 570： 151155.

[1]	任雅琪, 王蕾, 李慧敏, 曲亚倩, 韩培卓, 陶绪堂. 甘草酸对一水合草酸钙结晶的抑制作用[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 1005-1012.
[2]	牟涵清, 吕江维, 王鹏光, 余科彻, 高广宇, 张文君. 基于SBA-15介孔氧化硅递药系统的构建及提高茴拉西坦溶出度的研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 1013-1020.
[3]	刘劲松, 沈露, 任龙军, 黄希忠. 通过缺陷和应变工程控制Janus MoSSe的析氢反应[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 1034-1041.
[4]	任龙军, 柴什虎, 王付远, 姜萍. 具有超高载流子迁移率单层C₂B₆的预测[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 850-856.
[5]	崔健, 和志豪, 丁家福, 王云杰, 万俯宏, 李佳郡, 苏欣. 含d¹⁰电子构型钨酸盐结构与性能关系的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 841-849.
[6]	解忧, 肖潇飒, 姜宁宁, 张涛. 二维BC₆N/BN横向异质结的电学输运性质研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 825-831.
[7]	王子豪, 刘嘉钰, 董子豪, 王宇鑫, 许雅旭, 朱禹. 缺陷氨氟复合功能化UiO-66的制备及其青蒿琥酯吸附性能的研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(5): 890-897.
[8]	闵月淇, 谢文钦, 谢亮, 安康. Pd掺杂调控CsPbX₃(X=Cl,Br,I)光电性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 605-616.
[9]	张家琪, 林雪玲, 田文虎, 马文杰, 张秀, 马小伟, 朱巧萍, 郝睿, 潘凤春. 应变对Si掺杂A-TiO₂光学性质影响的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 617-628.
[10]	李琪, 付博, 余博文, 赵昊, 林娜, 贾志泰, 赵显, 陶绪堂. Al/In掺杂与β-Ga₂O₃(100)面孪晶相互作用的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(3): 371-377.
[11]	查显弧, 万玉喜, 张道华. β相氧化镓p型导电研究进展[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(2): 177-189.
[12]	郭满意, 吴佳兴, 杨帆, 王超, 王艳杰, 迟耀丹, 杨小天. ε-Ga₂O₃晶体及其本征缺陷的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(2): 212-218.
[13]	莫秋燕, 张颂, 荆涛, 吴家隐. SO₂和CO在ReS₂表面吸附的第一性原理研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 107-114.
[14]	张宁宁, 鱼海涛, 刘艳艳, 薛丹. 4d过渡金属掺杂单层WS₂的电子结构和光学性质研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 77-84.
[15]	王云杰, 和志豪, 丁家福, 苏欣. X₂(PO₄)₂(X=Ba、Pb)和XPO₄(X=Y、Bi)中阳离子对结构框架影响及双折射率来源研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(1): 85-94.

Pt修饰AlN单层对C₂H₆和C₆H₆吸附和气敏特性的第一性原理研究

First-Principle Study on the Gas Sensing Properties of C₂H₆ and C₆H₆ with Pt Modified AlN Monolayer

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 24

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价