江西理工大学陈铜副教授 | 基于PCF-石墨烯纳米器件的开关、光电和气敏特性的系统研究：来自DFT研究的见解

研究背景

开关器件、光电器件和气体传感器作为电子工程领域中重要的器件类型，分别负责电路控制、光信号转换和气体监测，在推动现代科技和工业发展中发挥着至关重要的作用。实现从半导体到金属的过渡并获得高开关比在当今电子行业中可以带来许多潜在的优势，如更高的速度、更低的功耗和更好的可靠性。这对于延续摩尔定律、提高集成电路的性能以及推动人工智能、物联网等领域的发展都具有重要意义。在能源效率和环保意识日益增强的背景下，具有高转换效率和低功耗的光电器件变得尤为重要。面临能源危机和环境污染问题，设计高效的光电器件成为解决可再生能源开发利用的重要途径。此外，气体传感器在监测有害气体、保障人员安全和环境保护方面发挥着至关重要的作用。然而，在复杂和精确的环境中检测特定气体分子一直是一个挑战，传统的化学传感器难以达到必要的分辨率水平。即使在二维材料领域，某些材料(如石墨烯)倾向于物理吸附气体分子，导致通过化学吸附对获得的电性能的控制有限。在其他二维材料的情况下，化学吸附通常会导致传感器传输强度降低，从而难以实现高气体灵敏度值。因此，找到合适的材料以实现所需的电子特性尤为重要。设计具有高开关比、光电响应和气体灵敏度的器件需要深入理解材料的电子结构和载流子行为。

值得注意的是，最近提出的二维sp²-杂化碳同素异形体，聚环四烯框架(PCF)-石墨烯，由于其优异的力学性能、强光学吸收和高载流子迁移率引起了科学界的极大关注。PCF-石墨烯是具有0.77 eV的直接带隙半导体。合适的带隙对于实现半导体到金属的过渡并获得高开关比至关重要。直接带隙更适合于电子空穴对的有效分离和延迟电子空穴复合，这对于设计高转化效率和响应的光电器件来说具有独特的优势。此外，不同于石墨烯单原子层平面结构，PCF-石墨烯的纳米多孔三明治状多层结构使得孔隙度和比表面积显著增加。当与表面接触的小分子量增加时，它提供了大量完美的气体感应通道，从而实现对气体分子的高气体灵敏度。

成果介绍

江西理工大学陈铜副教授、许梁教授团队系统研究了新型碳材料聚环四烯框架(PCF)-石墨烯的开关、光电和气敏特性。研究发现，基于PCF-石墨烯单层的二极管显示出令人印象深刻的10⁶开关比。此外，利用单层PCF-石墨烯的光电二极管在可见光和紫外光区域都观察到显著的光电流响应。采用单层和双层PCF-石墨烯的气体传感器对NO和NO₂均具有显著的化学吸附能力。值得注意的是，单层PCF-石墨烯的最大灵敏度为322%，而双层的最大灵敏度为53%。此外，还考察了各种环境条件，特别是H₂O、O和OH对所研究体系的影响。所获得的结果强调了PCF-石墨烯的多功能特性，显示出各种应用的巨大潜力，包括开关器件，光电器件和气体传感器。

本文亮点

1、基于PCF-石墨烯单层的二极管显示出10⁶开关比。

2、利用单层PCF-石墨烯的光电二极管在可见光和紫外光区域都观察到显著的光电流响应。

3、采用PCF-石墨烯单层和双层结构的气体传感器在检测NO和NO₂方面具有明显的优势，气体灵敏度分别高达322%和53%。

本文要点

要点1：本征PCF-石墨烯单层的电子结构和开关行为

图1：本征PCF-石墨烯电子结构以及双轴应变调控。

图1(a-g)中显示了本征PCF-石墨烯的电子结构，稳定性验证以及双轴应变调控。PBE计算结果表明，本征PCF-石墨烯是一种带隙为0.03 eV的半导体。当施加-2%的双轴压缩应变后，PCF-石墨烯即转变为金属性，当施加双轴拉伸应变后，PCF-石墨烯的带隙先减小后逐渐增大，仍然保持半导体性质。

图2：基于PCF-石墨烯开关器件的I-V特性分析以及相应的开关比。

图2(a-b)显示了基于PCF-石墨烯开关器件的I-V特性分析以及相应的开关比。以-8%和-4%为ON状态，+10%为OFF状态的开关器件表现出高开关比，其中在-8%状态下最大开关比可达10⁶。图2(b)插图的PLDOS揭示了高开关比背后的机理。

要点2：基于PCF-石墨烯单层的光电二极管

图3：PCF-石墨烯单层和五种不同堆叠结构的光子吸收系数以及基于PCF-石墨烯单层光电二极管在之字形和扶手形方向的光电流密度曲线。

图3(a-c)显示了PCF-石墨烯单层和五种不同堆叠结构的光子吸收系数以及基于PCF-石墨烯单层光电二极管在之字形和扶手形方向的光电流密度曲线。其中，本征PCF-石墨烯单层和五种不同堆叠结构在可见光以及紫外光区域均具有显著的吸收峰。此外，基于PCF-石墨烯单层光电二极管在可见光和紫外光区域具有明显的光电流响应，具有较高的光电转化效率，尤其是在扶手椅形方向上。

要点3：基于单层和双层PCF -石墨烯的高性能气体传感器

图4：基于单层和双层PCF-石墨烯气体传感器原理图以及沿之字形和扶手椅方向的I-V特性曲线。

图4(a-d)是基于单层和双层PCF-石墨烯气体传感器示意图以及相应器件在之子形和扶手椅形方向上的I-V特性分析。吸附NO和NO₂前后电流曲线的不同变化趋势表明，化学吸附会对材料的电子性质和导电性产生显著影响。此外，之子形和扶手椅形方向电流曲线的不同变化趋势对于在同一器件中特异性识别两种小分子具有重要意义。

图5：基于单层和双层PCF-石墨烯气体传感器沿之字形和扶手椅方向的气体灵敏度值S。

图5(a-b)分别是基于单层和双层PCF-石墨烯的气体传感器沿之字形和扶手椅方向的气体灵敏度值S。对于单层PCF-石墨烯气体传感器来说，吸附NO之后，在扶手椅形方向上，最大气体灵敏度值达到322%，而对于双层PCF-石墨烯气体传感器，吸附NO₂之后，在锯齿形方向上，最大气体灵敏度值达到53%。结果表明，基于单层和双层PCF-石墨烯的气体传感器分别对于检测NO和NO₂具有明显优势。

本文小结

该工作研究了PCF-石墨烯单层在双轴应变和不同双层堆叠结构下的电学、光学和气敏特性。双轴应变和不同的双层堆叠都可以调节PCF-石墨烯单层的能带结构。值得注意的是，当受到双轴压缩应变和不同的双层堆叠时，PCF-石墨烯单层可以有效地从半导体转变为金属。通过控制双轴应变，可以实现10⁶的高电流开关比，从而展示了二维PCF-石墨烯单层器件的良好开关特性。此外，PCF-石墨烯光电二极管在光照下表现出增强的光吸收系数，对绿光、蓝光和紫外光具有更强的光电响应。此外，气体分子NO和NO₂在PCF-石墨烯单层和双层上的吸附行为表明，NO和NO₂都被化学吸附到PCF-石墨烯上。基于PCF-石墨烯气体传感器的I-V特性显示出对NO和NO₂气体吸附的高灵敏度。在PCF-石墨烯单层和双层上的最大灵敏度分别为322%和53%。此外，该研究还考察了各种环境条件，特别是H₂O、O和OH对所研究体系的影响。这些结果表明，PCF-石墨烯单层作为一种多功能材料具有广泛的应用潜力，包括开关器件、光电器件和气体传感器。

作者介绍

第一作者：杨文昊

江西理工大学能源与机械工程学院硕士研究生，导师陈铜副教授。主要研究方向为低维纳米材料和器件的光电、电磁以及自旋输运特性和调控研究。

通讯作者：陈铜

江西理工大学能源与机械工程学院副教授、硕导、系副主任。加拿大麦吉尔大学访问学者，江西省杰出青年项目获得者、江西省赣鄱先锋、江西理工大学清江优秀青年人才。长期从事低维纳米材料电子结构及电荷、自旋输运特性研究。近5年以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文40余篇（TOP期刊论文17篇，封面论文2篇，高被引1篇），出版学术专著4部。先后主持国家自然科学基金、江西省自然科学基金、国家重点实验室开放课题等项目10余项。申请和获批专利4项，获批软件著作权10余项。

通讯作者：许梁

江西理工大学能源与机械工程学院副院长，教授，硕导，从事光催化、新能源材料与器件的设计和物性研究。主持国家自然科学基金、博士后基金、江西省自然科学基金（杰青和面上）等项目；Advanced Powder Materials和Tungsten青年编委，获得2019年江西省自然科学奖三等奖（第一完成人）；发表论文70余篇，撰写专著1部，授权专利10项。

• 题目：A systematic study of switching, optoelectronics, and gas‐sensitive properties of PCF‐graphene‐based nanodevices: Insights from DFT study
• 作者：Wenhao Yang, Tong Chen, Luzhen Xie, Yang Yu, Mengqiu Long, Liang Xu
• DOI：10.1002/cnl2.156
• 链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.156
• 第一作者：Wenhao Yang
• 通讯作者：Tong Chen、Liang Xu
• 单位：江西理工大学