Phosphoren als überlegener Gassensor: Selektive Adsorption und deutliche I–V-Antwort

Neueste Berichte über die Herstellung von Phosphoren, das heißt von Mono- oder wenigen Schichten schwarzen Phosphors, haben aufregende Perspektiven für ein herausragendes zweidimensionales (2D) Material aufgezeigt, das hervorragende Eigenschaften für Anwendungen in Nanogeräten aufweist. Hier untersuchen wir die Adsorption von CO, CO2, NH3, NO und NO2-Gasmolekülen auf einer Monolayer-Phosphoren mittels quantenmechanischer Berechnungen. Unsere Ergebnisse sagen eine überlegene Sensoreffizienz von Phosphoren voraus, die mit anderen 2D-Materialien wie Graphen und MoS2 konkurriert oder sie sogar übertrifft. Wir bestimmen die optimalen Adsorptionspositionen dieser Moleküle auf dem Phosphoren und identifizieren die molekulare Dotierung, das heißt den Ladungstransfer zwischen den Molekülen und Phosphoren, als den treibenden Mechanismus für die hohe Adsorptionsstärke. Außerdem berechneten wir die Strom-Spannungs-(I-V)-Beziehung unter Verwendung der Nonequilibrium-Green's-Funktion- (NEGF) Formalismus. Die Transportmerkmale zeigen eine große (1-2 Größenordnungen) Anisotropie entlang verschiedener (Armlehn- oder Zickzack-) Richtungen, was mit der anisotropen elektronischen Bandstruktur des Phosphoren übereinstimmt. Bemerkenswerterweise zeigt die I-V-Beziehung deutliche Reaktionen mit einer markanten Veränderung der I-V-Beziehung entweder entlang der Armlehn- oder Zickzackrichtungen, je nach Art der Moleküle. Diese Selektivität und Empfindlichkeit gegenüber der Adsorption macht Phosphoren zu einem überlegenen Gassensor, der vielversprechende Anwendungen bietet.