Gasdetektorer som kan känna av små mängder föroreningar kan hjälpa till att bättre övervaka luftkvaliteten. Saudiarabiens King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) forskare har upptäckt ett tvådimensionellt elektroniskt material som uppvisar hög känslighet för gasmolekyler, såsom koldioxid (CO2), kväveoxider (NOx) och ammoniak (NH3).

Atomtunna skivor bestående av övergångsmetaller associerade med kalkogenatomer, såsom svavel, selen och tellur, är mångsidiga alternativ till de mer konventionella kiselbaserade halvledarna. Beroende på deras metallkomponent, dessa dikalkogenidmonoskikt av övergångsmetall har bandgap – energibarriärer som begränsar elektronflödet genom ett material – som kan ställas in för att ändra deras elektroniska egenskaper.

De unika elektroniska egenskaperna hos dessa monolager har potential att förbättra en uppsjö av enheter, inklusive fälteffekttransistorer, fotodetektorer och gassensorer.

Halvledande monolager har visat sig vara idealiska kandidater som gasavkännande material eftersom de har ett högt förhållande mellan yta och volym. Till exempel, MoS2 har inkorporerats i fälteffekttransistorer för att detektera kvävemonoxid. Dock, dess prestanda begränsas av dess relativt låga bärarmobilitet eller av den hastighet med vilken dess elektroner (eller hål) rör sig när de utsätts för ett elektriskt fält.

För att övervinna dessa brister, KAUST Professor Udo Schwingenschlögls team utvärderade potentialen hos platinadikalkogeniden PtSe2 för användning i gasdetektorer via sofistikerade beräkningstekniker.

"Monolager PtSe2 visar experimentellt en hög bärarmobilitet, vilket kan vara fördelaktigt för gasavkänning, sade Schwingenschlögl, tillägger att detta material inte tidigare hade beaktats för detta ändamål. Detta tillvägagångssätt visar interaktionen mellan monolager- och gasmolekyler på både strukturell och elektronisk nivå.

Först, forskarna byggde ett modellmonoskikt bestående av selenatomer som bildade oktaedriska arrangemang med en platinaatom i mitten. Nästa, de bestämde den optimala geometri som antogs av enskilda gasmolekyler, som NOx, NH3, H2O, CO2 och CO, vid adsorption. De bedömde kapaciteten hos dessa adsorberade molekyler att överföra laddning till monoskiktet genom att undersöka adsorptionsinducerade förändringar i de elektroniska egenskaperna.

Dessa beräkningar gav höga adsorptionsenergier, indikerar stark affinitet mellan monolager- och gasmolekyler. Alla adsorberade molekyler förändrade monolagerladdningen (se bild), vilket är nyckeln till den gasavkännande förmågan hos monoskikt PtSe2.

Vidare, deras interaktioner var mer effektiva med monolager PtSe2 än dess MoS2 eller kolbaserade grafenanaloger. "Det var spännande att förklara denna skillnad på en molekylär orbitalnivå, " sa Schwingenschlögl. Beräkningar av elektrontransport avslöjade den höga känsligheten hos monolager PtSe2 som en gassensor.