基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法，其方案是：构建本征ZnO单层模型；根据不同吸附位点和HF分子取向，分别构建HF吸附在本征ZnO单层上和吸附在Al掺杂的ZnO单层上的模型；计算每种吸附模型的结构稳定性和电子性质，得到HF吸附在本征ZnO单层上和Al掺杂的ZnO单层上的吸附能、吸附高度、结构参数、能带结构、态密度、密立根电荷布居及差分电荷密度。本发明专利技术通过仿真预测出了Al掺杂的ZnO单层材料对HF有良好吸附效果，且比本征ZnO单层吸附效果更敏感的结果，为更好利用该材料对HF这一有毒气体进行检测提供了实验依据，可用于设计基于掺杂Al原子单层ZnO材料的HF气体探测器。探测器。探测器。

【技术实现步骤摘要】
基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法


[0001]本专利技术属于材料学
，特别涉及一种HF吸附性能预测方法，可用于HF有毒气体的检测，减少环境污染和保护人体健康。

技术介绍

[0002]近年来，二维材料由于其独特的性能，如无层间相互作用的电子约束、较大的机械弹性、高的光学透明性、较大的横向尺寸和超薄的厚度等，引起了人们越来越多的研究兴趣。石墨烯是一种典型的二维材料，具有许多优良的性能，但其固有的“零带隙”特点使其在半导体器件或集成电路领域中的应用受到限制。二维ZnO单层ZnO-ML是一种带隙范围在3.25～4.0eV之间可调的宽禁带半导体纳米材料，在低维电子器件中具有广阔的应用前景。
[0003]CO、NO、NH3、HF、NO2这些气体都是大气中常见的有毒气体，一旦吸入会严重损害人体供氧功能。当气体浓度高时，会导致缺氧死亡。因此，对这些有毒气体分子进行有效的监测和检测是非常有必要的。2015年Ma等人研究了O2、CO在本征ZnO-ML上和掺Al的ZnO-ML上的吸附性能。被吸附的O2或CO分子与ZnO-ML之间的最小距离约为吸附能均在0.01eV左右，吸附气体与ZnO-ML之间的相互作用较弱。Al掺杂ZnO-ML后，两种吸附体系的吸附能分别得到了提升，表明掺杂Al的吸附体系更加稳定。2020年Qiao等人基于第一性原理密度泛函理论研究了NO分子在ZnO-ML和Al掺杂ZnO-ML上的吸附。NO在Al掺杂ZnO-ML上的吸附能为-1.231eV，远远低于本征ZnO-ML体系的-0.457eV，结果表明NO分子仅通过弱物理吸附与ZnO-ML相互作用，而NO分子与Al掺杂ZnO-ML之间的吸附作用为化学吸附。吸附体系的PDOS分析证实NO与Al掺杂的ZnO-ML的相互作用强于本征ZnO-ML。由此可见，ZnO-ML的气敏性能可以通过表面修饰得到改善，Al原子掺杂可以很好地增强ZnO-ML对于气体分子的吸附效果。因而本专利技术选择Al原子作为掺杂原子，研究Al掺杂对基于ZnO-ML进行气体吸附性能的影响。
[0004]对于HF气体，2010年，Sun等人研究了本征石墨烯和Al掺杂石墨烯对于HF分子的吸附作用，结果表明HF分子在本征石墨烯和Al掺杂石墨烯上的吸附机制不同：本征石墨烯与HF之间的吸附作用是弱物理吸附，而掺Al石墨烯与HF分子之间是化学吸附。HF吸附在掺Al石墨烯上比在本征石墨烯上具有更低的吸附能和更小的吸附高度。在二维材料表面吸附气体后，气体分子与二维材料之间发生的电荷转移，可以改变材料的导电性，进而影响整体的灵敏度。掺Al之后的石墨烯，与HF之间的电荷转移只有0.024e，二者之间的相互作用并不是很强，因此基于Al原子修饰的石墨烯对HF的吸附效果并不显著，不能很好的应用于HF气体的检测。
[0005]目前，科研人员对大气污染物CO、NO、NO2、NH3这些有毒气体在ZnO-ML上的吸附情况开展了大量的研究，但是对HF气体在ZnO-ML上吸附的研究却相对缺乏。由于HF是一种无色、毒性极大的气体，在工业废气中非常常见。因此，急需建立一种快速有效的对HF气体吸附性能的预测方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法，以获得掺杂Al原子单层ZnO对HF的吸附效果，用于实现对工业废气中的HF有毒气体进行高灵敏探测，减少环境污染和保护人体健康。
[0007]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0008]一.技术原理
[0009]ZnO是一种由ⅡB
-Ⅵ
族元素组成的直接带隙半导体材料，在常温下具有宽带隙(3.25～4.0eV)、高激子结合能(60meV)和较大的压电特性。研究人员采用不同的制备方法已经合成并表征了纳米带、纳米片、纳米团簇、纳米管和纳米线等ZnO纳米结构，这种独特的材料在传感器、光电子和晶体管中有着特别广泛的应用。在ZnO具有很多优异特性的基础上，人们开始了对于二维ZnO材料的探索。Freeman等人第一次利用密度泛函理论计算成功预测纤锌矿ZnO薄膜能够形成一种类石墨烯结构。随后，Tusche研究组利用表面X射线衍射和扫描隧道显微镜观察到Ag衬底上生长出一个Zn-O双原子单层厚度的ZnO(0001)薄膜。上述研究发现从理论上和实验上都表明了单层ZnO结构的可存在性。单层ZnO是一种具有六角氮化硼结构的平面二维材料，拥有比石墨烯更好的宽带隙的优点，也具备体材料ZnO的优秀性能。
[0010]二.技术方案
[0011]根据上述原理本专利技术基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法，是通过构建本征ZnO-ML和Al掺杂ZnO-ML的超晶胞模型，考虑不同的吸附位点和HF分子的取向，建立HF吸附在本征ZnO-ML和Al掺杂ZnO-ML上的吸附模型，并通过对吸附模型进行几何优化得出吸附能和吸附高度，以此判断出相对稳定的吸附结构，进而对其电子性质进行计算，预测出Al掺杂对基ZnO-ML材料进行HF吸附性能的效果，其实现步骤如下：
[0012]1)对ZnO体材料原胞沿(0001)晶面进行切割，并在垂直于z轴的方向添加的真空层，以避免周期性引起的层间相互作用，得到本征ZnO单层原胞；
[0013]2)采用广义梯度近似的方法对本征ZnO单层原胞进行几何优化，得到本征ZnO单层模型ZnO-ML；
[0014]3)按照理论的H-F键长度确定H原子和F原子坐标，并进行连接，构建单独的HF原胞，对其采用广义梯度近似法进行优化，得到稳定的HF分子模型；
[0015]4)按照不同的吸附位点和HF分子的取向，将HF分子添加到ZnO-ML表面，形成多个本征ZnO-ML吸附HF的结构，采用广义梯度近似法对每一种结构进行优化，得到本征ZnO-ML吸附HF模型体系；
[0016]5)计算本征ZnO-ML吸附HF模型体系中每一种结构的吸附能E
a
和吸附高度D，并将其从小到大排序，在排序过程中将吸附能E
a
作为优先参考，当吸附能E
a
相同时，吸附高度D小的排在前面。选择前四种结构，通过模拟软件计算出能带结构和态密度，并绘制出各结构模型对应的能带结构图和态密度图；
[0017]6)在本征ZnO-ML模型中，用Al原子替代Zn原子构建Al掺杂的ZnO-ML原胞；对其采用广义梯度近似的方法进行几何优化，得到Al掺杂的ZnO-ML模型Al-ZnO-ML；
[0018]7)按照步骤5)选取的四种结构中HF分子的吸附方式，采用的T
Zn
位点替换成T
Al
，在Al-ZnO-ML模型上进行HF吸附，形成四个Al-ZnO-ML吸附HF的结构，并对其采用广义梯度近
似法进行几何优化，得到Al-ZnO-ML吸附HF模型体系；
[0019]8)计算Al-ZnO-ML吸附HF模型体系中每一种结构的吸附能E
a
'和吸附高度D1；通过模拟软件计算出能带结构和态密度，并绘制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法，其特征在于，包括如下：1)对ZnO体材料原胞沿(0001)晶面进行切割，并在垂直于z轴的方向添加1)对ZnO体材料原胞沿(0001)晶面进行切割，并在垂直于z轴的方向添加的真空层，以避免周期性引起的层间相互作用，得到本征ZnO单层原胞；2)采用广义梯度近似的方法对本征ZnO单层原胞进行几何优化，得到本征ZnO单层模型ZnO-ML；3)按照理论的H-F键长度确定H原子和F原子坐标，并进行连接，构建单独的HF原胞，对其采用广义梯度近似法进行优化，得到稳定的HF分子模型；4)按照不同的吸附位点和HF分子的取向，将HF分子添加到ZnO-ML表面，形成多个本征ZnO-ML吸附HF的结构，采用广义梯度近似法对每一种结构进行优化，得到本征ZnO-ML吸附HF模型体系；5)计算本征ZnO-ML吸附HF模型体系中每一种结构的吸附能E
a
和吸附高度D，并将其从小到大排序，在排序过程中将吸附能E
a
作为优先参考，当吸附能E
a
相同时，吸附高度D小的排在前面。选择前四种结构，通过模拟软件计算出能带结构和态密度，并绘制出各结构模型对应的能带结构图和态密度图；6)在本征ZnO-ML模型中，用Al原子替代Zn原子构建Al掺杂的ZnO-ML原胞；对其采用广义梯度近似的方法进行几何优化，得到Al掺杂的ZnO-ML模型Al-ZnO-ML；7)按照步骤5)选取的四种结构中HF分子的吸附方式，采用的T
Zn
位点替换成T
Al
，在Al-ZnO-ML模型上进行HF吸附，形成四个Al-ZnO-ML吸附HF的结构，并对其采用广义梯度近似法进行几何优化，得到Al-ZnO-ML吸附HF模型体系；8)计算Al-ZnO-ML吸附HF模型体系中每一种结构的吸附能E
a
'和吸附高度D1；通过模拟软件计算出能带结构和态密度，并绘制出各结构模型对应的能带结构图和态密度图；9)对本征ZnO-ML吸附HF模型体系和Al-ZnO-ML吸附HF模型体系中各自最稳定的结构进行密立根电荷布居及差分电荷密度Δρ的计算，获得HF吸附性能的预测结果。2.根据权利要求1所述的方法，其中2)中采用广义梯度近似法对本征ZnO单层原胞进行几何优化，其实现如下:2a)设置参数：包括描述离子实与价电子之间的相互作用势所用的赝势，描述和修正交换关联能的近似方法和修正泛函，迭代过程中采用的能量、自洽场和能带的收敛精度，作用在每个原子上最大的力、最大的内应力和公差偏移，平面波截断能量E
cut
及布里渊区k点；2b)对本征ZnO-ML原胞的晶格常数和原子位置同时进行优化：2b1)选择优化超胞，设置迭代次数为100；2b2)在上述参数条件下进行第一步迭代，计算整个本征ZnO-ML原胞的总势能，并利用总势能随原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面；2b3)对势能面求最低极小值，由于此时该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，改变本征ZnO-ML原胞的晶格常数或移动ZnO-ML中各原子位置进行2b4)迭代计算；2b4)重新计算整个本征ZnO-ML原胞的总势能，并利用总势能随ZnO-ML中原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面，对势能面求最低极小值，将该值与设置的能量的收敛精度进行比较：若该值小于设置的收敛精度，则整个迭代过程自动中断，几何优化结束；若该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，执行2b5)；
2b5)改变本征ZnO-ML原胞的晶格常数或移动ZnO-ML中各原子位置进行下一步迭代计算，重复该步操作，直到系统在设置的迭代次数内，检测到本征ZnO-ML势能面的最低极小值小于设定的能量收敛精度时视为收敛，整个迭代过程自动中断，几何优化结束。3.根据权利要求1所述的方法，其中3)中采用广义梯度近似法对HF原胞进行几何优化，其实现如下:3a)设置参数：包括描述离子实与价电子之间的相互作用势所用的赝势，描述和修正交换关联能的近似方法和修正泛函，迭代过程中采用的能量、自洽场和能带的收敛精度，作用在每个原子上最大的力、最大的内应力和公差偏移，平面波截断能量E
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及布里渊区k点；3b)对HF原胞的原子位置进行优化：3b1)设置迭代次数为100；3b2)在上述参数条件下进行第一步迭代，计算整个HF原胞的总势能，并利用总势能随原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面；3b3)对势能面求最低极小值，由于此时该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，移动HF原胞中各原子位置进行3b4)迭代计算；3b4)重新计算整个HF原胞的总势能，并利用总势能随HF各原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面，对势能面求最低极小值，将该值与设置的能量的收敛精度进行比较：若该值小于设置的收敛精度，则整个迭代过程自动中断，几何优化结束；若该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，执行3b5)；3b5)移动HF中各原子位置进行下一步迭代计算，重复该步操作，直到系统在设置的迭代次数内，检测到HF势能面的最低极小值小于设定的能量收敛精度时视为收敛，整个迭代过程自动中断，几何优化结束。4.根据权利要求1所述的方法，其中4)中的吸附位点和HF分子的不同取向，分别包括如下：所述吸附位点，包括O原子顶位T
O
、Zn原子顶位T
Zn
、Zn-O键中心桥位B、ZnO-ML六边形的中心位P这四种不同的吸附位点；所述HF分子的不同取向，包括HF分子平行于ZnO-ML表面取向和HF分子垂直于ZnO-ML表面取向。5.根据权利要求1所述的方法，其中4)中多个本征ZnO-ML吸附HF的结构，包括HF平行吸附在ZnO-ML表面的吸附构型X(Y)-Z、HF垂直吸附在ZnO-ML表面的吸附构型X(Y)这两种结构，其中X表示吸附位点，Y表示吸附位点上的原子，C表示HF吸附点外的原子的朝向；所述HF平行吸附在ZnO-ML表面的吸附构型，是按照O原子顶位T
O
、Zn原子顶位T
Zn
和ZnO-ML六边形的中心位P三种吸附位点，将HF分子以与衬底表面平行的取向添加到ZnO-ML表面，每种吸附位点有H原子和F原子吸附两种情况和HF分子的两种不同朝向，即当HF的一个原子固定在吸附位点时，另一个原子朝向剩余的两种吸附位点之一，共计12种吸附结构，每种吸附结构的吸附高度均为所述HF垂直吸附在ZnO-ML表面的吸附构型，是按照O原子顶位T
O
、Zn原子顶位T
Zn
、Zn-O键中心桥位B和ZnO-ML六边形的中心位P四种吸附位点，将HF分子以与衬底表面垂直的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨婷，王平，吴茜，杨涵，刘妍，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：