Phosphorene as a Superior Gas Sensor: Selective Adsorption and Distinct I–V Response

磷烯 之字形的 吸附 单层 石墨烯 材料科学 化学物理 分子 各向异性 纳米技术 光电子学 凝聚态物理 计算化学 化学 物理 物理化学 光学 有机化学 几何学 数学
作者
Liangzhi Kou,Thomas Frauenheim,Changfeng Chen
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:5 (15): 2675-2681 被引量:1027
标识
DOI:10.1021/jz501188k
摘要

Recent reports on the fabrication of phosphorene, that is, mono- or few-layer black phosphorus, have raised exciting prospects of an outstanding two-dimensional (2D) material that exhibits excellent properties for nanodevice applications. Here, we study by first-principles calculations the adsorption of CO, CO2, NH3, NO, and NO2 gas molecules on a monolayer phosphorene. Our results predict superior sensing performance of phosphorene that rivals or even surpasses that of other 2D materials such as graphene and MoS2. We determine the optimal adsorption positions of these molecules on the phosphorene and identify molecular doping, that is, charge transfer between the molecules and phosphorene, as the driving mechanism for the high adsorption strength. We further calculated the current-voltage (I-V) relation using the nonequilibrium Green's function (NEGF) formalism. The transport features show large (1-2 orders of magnitude) anisotropy along different (armchair or zigzag) directions, which is consistent with the anisotropic electronic band structure of phosphorene. Remarkably, the I-V relation exhibits distinct responses with a marked change of the I-V relation along either the armchair or the zigzag directions depending on the type of molecules. Such selectivity and sensitivity to adsorption makes phosphorene a superior gas sensor that promises wide-ranging applications.
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