電場(chǎng)作用下P摻雜硅烯選擇性吸附CH4的第一性原理計(jì)算

霍英菲， 黃珍霞， 王軍凱， 王雪晴， 胡前庫(kù)， 周愛(ài)國(guó)

(1.河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 焦作 454003; 2. 河南理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 焦作 454003)

1 引 言

在如今煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，甲烷(CH4)堆積造成的煤礦爆炸仍在全球范圍內(nèi)造成重大人員傷亡[1]. 開(kāi)發(fā)低成本，高選擇性的甲烷傳感器以實(shí)時(shí)，連續(xù)地監(jiān)測(cè)煤礦中的甲烷濃度至關(guān)重要. 目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于各種傳感機(jī)制的甲烷傳感器，例如金屬氧化物型，催化燃燒型，非分散紅外(NDIR)吸收光譜型[2-5]等. 金屬氧化物方法基于在高溫下與甲烷反應(yīng)引起的金屬氧化物(即氧化錫)的電導(dǎo)率變化[6]. 由于甲烷非常穩(wěn)定，因此操作溫度通常高于400 ℃，以實(shí)現(xiàn)正常的靈敏性[7,8]. 催化燃燒型甲烷傳感器通過(guò)使用加熱的催化元素(通常為鈀)燃燒甲烷來(lái)運(yùn)行[4]. 對(duì)甲烷的選擇性是通過(guò)利用兩種貴金屬(如鈀和鉑)的不同催化活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的[9]. 也可以通過(guò)測(cè)量近紅外(IR)或中紅外波段中甲烷的吸收光譜來(lái)檢測(cè)甲烷. 中紅外方法比近紅外方法更靈敏，但需要大而昂貴的紅外傳感器冷卻設(shè)備[2,10]. 甲烷的紅外吸收也可以使用光聲法檢測(cè). 在這種方法中，甲烷分子吸收特定波長(zhǎng)的IR并將其轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)，然后通過(guò)麥克風(fēng)或其他類(lèi)型的振動(dòng)傳感器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[11,12]. 即使光聲甲烷傳感器非常靈敏，但整個(gè)系統(tǒng)是復(fù)雜且昂貴的. 而基于氣體分子吸附和脫附所引起的具體物理量相對(duì)變化的薄膜型氣敏傳感技術(shù)，使得快速響應(yīng)和低成本的甲烷檢測(cè)傳感器……