First-Principles Design Rules for Selective Room-Temperature Gas Sensing in Transition-Metal-Doped MoS 2

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作者
Maciej J. Szary
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (8): 12938-12948
标识
DOI:10.1021/acsami.5c23014
摘要

Substitutional doping provides a practical and scalable strategy to tune the surface reactivity of transition-metal dichalcogenides (TMDs) for chemical sensing, yet the underlying relationships between dopant identity and adsorption behavior remain poorly understood. Here, first-principles calculations are employed to examine the effects of substituting molybdenum in monolayer MoS2 with transition metals from groups 4 (Zr, Hf), 5 (Nb, Ta), 7 (Tc, Re), and 10 (Pd, Pt). These dopants, which themselves form stable TMD monolayers, incorporate effectively into the MoS2 lattice─consistent with their demonstrated feasibility via chemical vapor deposition (CVD). While the adsorption of NH3, CO2, SO2, and NO2 remains governed by physisorption, distinct dopant-dependent selectivity emerges. Group 4, 5, and 10 dopants induce negligible modulation of adsorption and charge transfer, whereas group 7 dopants markedly enhance the NO2 binding and electron exchange. The resulting carrier concentration changes reach up to 4 orders of magnitude higher than in pristine MoS2 at sub-ppm analyte levels and room temperature, enabling potential ppb-level NO2 detection with minimal cross-sensitivity to SO2. These results establish transition-metal substitution as a chemically coherent and experimentally viable route for selectively boosting the sensitivity of MoS2-based gas sensors toward oxidizing, polar analytes such as NO2.
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