[00145602]低维碳和硼氮纳米材料结构体系电子和磁性质的调控

石墨烯和碳纳米管等低维碳基纳米材料具有许多新颖的物理和化学性质,吸引了来自国内外实验和理论科学家的广泛关注。固态气体传感器具有高灵敏性和低成本等特性,使得它在许多领域具有广泛的应用。使用基于sp2碳纳米材料进行分子探测,是纳米技术的一个前沿领域。早期的实验和理论研究表明,石墨烯和碳纳米管能够有效地探测NO2和NH3等有毒气体分子,可作为新一代的气体传感器。然而气体分子与这些纯的碳纳米材料的结合一般由弱相互作用决定,难于满足达到有效探测分子的目的。最近的实验研究指出,还原的或化学转化的石墨烯氧化物可以作为NO2等分子的高性能传感器材料,与纯的石墨烯相比,电子阻抗等实验测试显示出更长的响应时间和更大的结合能。 目前,尽管有许多关于碳基材料作为传感器的理论计算模型,然而它们难于解释上述的实验结果。本成果通过密度泛函计算,研究了氮氧化物分子与石墨烯和石墨烯氧化物的相互作用。计算结果表明,石墨烯氧化物（GO）表面的羟基、羰基及其附近的碳原子等官能团可以提供活性位点,提高材料与氮氧化物分子的相互作用。这些活性位点增加了分子的结合能力,提高了分子到材料的电荷转移,甚至可以引起气体分子的化学吸附。GO表面上的含氧官能团与氮氧化物分子的相互作用可以导致氢键OH....O和弱的共价键C...N或C...O的形成。自旋极化的态密度计算表明,与NO和N2O4在GO上的吸附相比较,NO2和NO3的前线分子轨道和GO费米能级附近的电子态相互作用给出材料更加强烈地电子掺杂和更加明显地分子和材料间的电荷转移,目前的计算结果和最近的实验观察非常一致。该成果为实验上设计高性能的基于石墨烯化学传感器提供了理论基础。