通过金属原子掺杂增强单层SnS对有毒物质的吸附作用：密度泛函理论（DFT）、原子间相互作用模型（AIMD）和倒向氢化法（COHP）的见解

《Micro and Nanostructures》：Enhancing the adsorption of toxic substances on monolayer SnS by metal atom doping: DFT, AIMD and COHP insights

单层SnS的Ni/Mn掺杂及其对BTP和ONQ传感性能研究，采用第一性原理计算，发现Ni掺杂使SnS呈现半金属特性，而Mn掺杂保持半导体特性。热力学稳定性通过AIMD模拟验证，S-Ni键的混合共价-离子键特性及键合强度分析显示Ni掺杂适合可逆传感。

　　

Nawal Madkhali|Muhammad Mushtaq

物理系，科学学院，伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU），利雅得13318，沙特阿拉伯

摘要

接触有毒物质可能引发严重的健康问题。这些物质需要传感器来检测。在这项研究中，我们利用第一性原理计算探讨了原始SnS单层和X = Ni/Mn掺杂SnS（ML-SnS, X-SnS）对苯并噻吩（BTP）和邻萘醌（ONQ）的传感响应。掺杂剂使SnS表现出磁性，主要受X的d_xy轨道驱动。Mn-SnS仍为半导体，而Ni-SnS则表现出半金属行为。通过AIMD模拟验证了掺杂系统的热稳定性。使用RDF分析研究了X-S键长。所研究的有毒物质BTP和ONQ在原始SnS和Mn-SnS上的物理吸附较弱。Ni掺杂略微增加了吸附能，导致中等程度的吸附，适合用于可逆传感。COHP分析结合ICOHP和ICOBI证实S-Ni键具有共价-离子特性，并且比S-SnS键更强。S(3s)和Ni(4p_y)轨道的重叠增强了S-Ni键的强度。这些结果表明，从能量和吸附的角度来看，Ni掺杂对SnS纳米传感器是有利的。

引言

有毒气体和其他物质的广泛释放导致环境污染和气候变化。最常见的有毒气体包括二氧化碳（CO₂）、二氧化硫（SO₂）和氮氧化物（NO_x），被认为是主要来源[1]。其他有毒物质包括挥发性有机化合物（VOCs），它们由碳和其他元素组成。为了消除环境污染和监测有毒物质，设计和制造气体传感器至关重要。人们正在不断努力寻找高效的传感材料并将其集成到传感器中[2, 3, 4]。VOCs是在室温下容易蒸发的化学物质，存在于各种家用和工业产品中。VOCs与氮氧化物反应生成地面臭氧和烟雾，从而加剧气候变化[5]。室内空气中经常含有VOCs等空气污染物。接触室内空气中的VOCs可能导致健康问题，如刺激和癌症等严重后果[6]。VOCs还会影响植物生理并积累在植物组织中，可能对食草动物和植食性昆虫产生影响[7]。可以通过有效的方法（包括吸附、催化或光催化）去除VOCs。纳米材料在去除VOCs方面展现出巨大潜力，从而改善室内空气和水质[8]。

纳米材料极其微小，至少有一个维度为100纳米或更小[9]。2004年发现的石墨烯（一层碳原子排列成六边形晶格）开启了一类新的纳米材料——二维（2D）材料[10]。这类材料具有单原子厚度的片状结构[11]。2D材料的机械性能因其高杨氏模量、强度、超薄特性和低重量而非常重要，使其适用于轻量化、灵活和透明系统的应用[12]。由于2D层的表面积与体积比非常大，其能带结构对外部干扰非常敏感，表明其电子结构和带隙可能因此发生变化[13]。2D材料种类繁多，与石墨烯在稳定性、原子结构和电子性质上存在差异[14, 15, 16]。

二维单硫属化合物（MX）是各向异性的2D金属单硫属化合物，由一个IV族元素（如Sn或Ge）和一个硫属元素（如S、Se或Te）组成。2D单硫属化合物的例子包括GeS、GeSe、SnS、SnSe、SnTe，它们具有独特的晶体对称性。这些化合物具有平面各向异性的电子和光学性质，其独特的波浪状晶体结构影响了这些性质[17]。2D单硫属化合物（MX）表现出显著的结构和电子特性，直接带隙覆盖了从深紫外到近红外波长的广泛光谱范围，使其适用于纳米电子学和光学领域。电子能带结构表明MX单层是间接带隙半导体[18]。MX还表现出显著的物理性质，包括平面极化、结构简并性和热驱动转变。此外，这些2D材料还显示出选择性谷激发、谷霍尔效应和持久的自旋螺旋行为。这些性质源于它们的非中心对称性，可能应用于非易失性存储器、自旋电子学和光电器件[19]。Janus III族单硫属化合物（M₂XY）由于其合适的带隙和光学性质，在高效光催化水分解方面具有潜力[20]。像GeS、GeSe、SnS和SnSe这样的2D IV族-IV族单硫属化合物具有起伏的正交结构，在地球丰度和稳定性方面具有优势，可用于光电子学和压电学[21]。

二维硫化锡（SnS）与磷烯类似。它在锯齿形和扶手椅形方向上表现出强烈的平面各向异性。使用交叉霍尔条结构制备的2D SnS场效应晶体管显示出高度空穴掺杂的导电性和强烈的平面各向异性[22]。2D SnS已通过多种技术合成并作为单晶和薄膜进行研究。它是一种直接带隙半导体，具有独特的性质和在传感器、电池和生物医学科学中的潜在应用[23]。2D SnS的带隙约为1.3 eV，具有可调的带隙能量，以及有利的光电设备性能。2D SnS可能成本低廉、可持续且易于获取[24]。2D SnS片材作为钠离子电池的阳极材料具有很好的前景，具有强的Na结合能力、高效的电荷传输和高存储容量。低Na迁移势垒使得电荷传输快速[25]。通过优选取向生长2D正交SnS层，可以用于高效的光电学应用。SnS片层的取向控制着光电性能和设备性能[26]。

苯并噻吩（BTP: C₈H₆S）和邻萘醌（ONQ: C₁₀H₆O₂）是苯的衍生物。前者BTP含有一个苯环，后者含有两个苯环。BTP在室温下为固态，熔点为32°C。过量接触ONQ可能导致健康问题，包括呕吐、流涎、出汗、心动过缓、低血压和肌肉无力。因此，开发检测BTP和ONQ的方法至关重要。

尽管有一些关于2D SnS的理论和实验研究，但关于其用于VOC检测的传感特性的报道仍然有限。特别是，上述物质尚未被用于SnS的传感研究。本研究利用DFT计算探讨了Ni/Mn单原子掺杂对单层SnS（ML-SnS）的电子、自旋极化和吸附性质的影响。

计算方法

在这项研究中，使用VASP代码[27, 28, 29]进行了密度泛函理论（DFT）计算。平面波在500 eV处展开。总能量方程中的未知项（交换和相关项）采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）的广义梯度近似（GGA）进行计算[30]。获得基态结构是DFT计算的基本步骤，通过改变晶格参数并最小化总能量来实现

原始单层SnS（ML-SnS）

原始单层SnS（简称ML-SnS）是通过去除体块材料中的相邻层并保留一层获得的。在z方向引入足够的真空以保持结构的隔离。该结构在其余两个方向上周期性延伸。在能带结构计算之前，对单元格结构进行了完全放松。晶格参数（包括a和b晶格向量、键长和键角）进行了比较

结论

通过密度泛函理论（DFT）计算研究了X=Ni、Mn单原子掺杂对单层SnS的相稳定性、电子性质、磁性质和传感性质的影响，以检测苯并噻吩（BTP）和邻萘醌（ONQ）。AIMD模拟证实，两种掺杂结构在300 K下均具有热稳定性。掺杂剂与SnS中的S原子紧密结合。RDF分析预测形成了一个合理的S-X键长

CRediT作者贡献声明

Nawal Madkhali：撰写——原始草稿、资源获取、方法论、研究设计、资金申请、形式分析、概念构思。Muhammad Mushtaq：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件应用、数据管理、概念构思

数据可用性声明

数据可根据相应作者的要求提供。

资助声明

本工作得到了伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究系的支持和资助（资助编号IMSIU-DDRSP2603）。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）提供的资助（资助编号IMSIU-DDRSP2603）。