DFT-Studie der Adsorptionseigenschaften von Ammoniak auf sowohl reinem als auch Si-dotiertem Graphen-Nanoflakes

Die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Nanomaterialien und Molekülen auf molekularer Ebene ist ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung neuartiger Materialien für Nanosensor-Anwendungen. In dieser Studie verwendeten wir chemische Berechnungen basierend auf Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen, um die Adsorptionseigenschaften des NH3-Moleküls (Ammoniak) über die Oberfläche der reinen Graphen-Nanoflakes (PGNFs) und Si-dotierten Graphen-Nanoflakes (Si-GNFs) zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass NH3-Moleküle physikalisch an die Oberfläche der PGNFs adsorbiert werden, während sie signifikant chemisorptiv an die Oberfläche der Si-GNFs adsorbiert werden, mit einer Adsorptionsenergie von -1,561 eV. Die Erholungszeit für NH3/PGNF nach dem Adsorptionsprozess ist sehr kurz, sodass die Detektion des NH3-Moleküls praktisch unmöglich ist, obwohl die elektronische Empfindlichkeit von PGNF gegenüber dem NH3-Molekül hoch ist. Als ein Si-Atom durch ein Kohlenstoffatom ersetzt wurde, verbesserten sich die Adsorptionseigenschaften von GNF. Dies führte wiederum zu einer Verringerung der Stabilität des Si-GNF-Clusters und erhöhte signifikant dessen Aktivität im Vergleich zu PGNF. Als der Si-GNF-Cluster mit dem NH3-Molekül interagierte, erhöhte sich seine elektrische Leitfähigkeit signifikant, und es gab eine große Veränderung der Energielücke. Daraus folgt, dass der Si-GNF-Cluster ein ausgezeichneter Kandidat für die Verwendung als Nanosensor zur Detektion von NH3-Molekülen ist, aufgrund seiner hohen elektrischen Empfindlichkeit gegenüber den oben genannten Molekülen. Daher fördert das Vorhandensein von Silizium erheblich die Chemisorption von NH3 auf den GNFs und erhöht damit signifikant deren Empfindlichkeitsleistung. Zusammenfassend könnten die Si-GNF-Cluster als effektive Nanosensoren zur Detektion von NH3-Molekülen eingesetzt werden.