C₂N识别丙烷和丁烷的气体传感器的开发研究

气体传感是航空航天、军事、医疗以及工业环境等应用的一个重要研究领域，它有助于预防有毒有害气体对人类健康和环境造成的风险。在家庭和工业环境中，丙烷和丁烷通常被用作燃料，是有毒且易燃气体，这种气体通常需要有效检测以避免泄漏或引发爆炸事故。为了解决这一问题，研究人员正在开发具有低功耗、低工作温度的基于纳米材料的气体传感器。

据麦姆斯咨询报道，近日，阿联酋大学（United Arab Emirates University）与艾因大学（Al Ain University）组成的科研团队在Scientific Reports期刊上发表了以“Detection of butane and propane gases via C₂N sensors: first principles modeling”为主题的论文。该论文的第一作者为Asma Wasfi，通讯作者为Falah Awwad。

这项研究工作对利用C₂N识别丙烷和丁烷的气体传感器的开发和表征开展了全面研究。该研究工作首先介绍了传感器的设计和构造，概述了为提高其性能而做出的设计修改。随后，详细描述了所采用的计算方法，即使用Quantumwise Atomistix Toolkit（ATK）进行第一性原理模拟，以阐明C₂N传感器的电子输运特性。本文介绍了C₂N传感器在气体传感技术方面取得的进展，并强调了其在小尺寸、低成本气体传感应用中的前景。

图1展示了所采用的纳米级传感器的构造。C₂N系统主要包含C₂N电极和由单层C₂N组成的C₂N中心区域，不包含栅极。图2显示了目标分子丁烷（如图2a）和丙烷（如图2b）的原子结构，突出了它们独特的化学和电子组成。

图1 由QuantumATK模拟的基于C₂N的器件

图2 两种目标分子的原子结构

图3描绘了含有丁烷分子的C₂N传感器结构。图1通道内突出的空心位点代表了目标分子最稳定的吸附位点，因为它可以有效吸附每个气体分子。

图3 带有丁烷分子的C₂N传感器示意图

随后，为了增强图1所示C₂N器件的性能，将C₂N电极替换为金（Au）电极，并在通道下方放置栅极端子，形成基于C₂N的场效应晶体管（如图4所示），可用于检测丙烷和丁烷气体分子。所构建的传感器包括两个金电极、形成通道的单层C₂N以及栅极端子。

图4 增强型C₂N传感器示意图
（黄色- Au元素、灰色-C元素、蓝色-N元素、白色-氢元素）

接着，为了分析该传感器的电子输运特性，研究人员对裸C₂N器件（如图1）和C₂N晶体管（如图4）携带每种目标气体分子时的电子电流、状态密度和透射谱等因素进行了详细探究。对该传感器的研究采用了第一性原理建模技术进行精确模拟。

综上所述，这项研究设计了一种新型且经济型的二维氮化多孔石墨烯纳米带传感器，用于检测家庭环境的气体泄漏，对现有领域有着重大贡献。该研究介绍了C₂N传感器在丁烷和丙烷气体检测中的应用。通过将电极替换为金电极并增加栅极端子，大大增强了该传感器的性能，从而提高了其灵敏度和精确检测能力。研究结果表明，所提出的C₂N传感器是一种经济且高效的气体传感解决方案。检测常用燃料丙烷和丁烷气体的能力，对于在家庭和工业环境中预防泄漏和爆炸事故具有重要意义。

审核编辑：彭菁