QuantumATK 因其在材料电子态、输运性质和分子动力学性质等方面有丰富的模拟工具箱，特别适合研究这类气敏材料和器件特性，包括（文中链接请点击文末 阅读原文 获取）：
检测分子在材料上的吸附和脱附
使用过渡态搜索或分子动力学方法研究
吸附导致的电输运特性变化
构造器件构型，直接计算体系电流变化与影响因素
相关机理的探讨
丰富的电子态投影、电荷分析、结构分析等手段，帮助理解机理
Biaxila 应变调控 C5N 基二维器件高各向异性气敏性能：第一性原理研究
二维氮化碳材料因其丰富的元素资源、高物理化学稳定性和优异的电子性能，被广泛应用于器件制备、气体吸附与分离等诸多领域。本文采用密度泛函理论和非平衡格林函数方法，研究了 C5N 基结构的电子结构、输运特性和气体灵敏度。结果表明，电子输运表现出明显的各向异性，其中扶手椅型方向的电子输运比锯齿型形方向的电子输运更具导电性。值得注意的是，两个方向都存在负微分电阻效应。此外，还研究了吸附在 C5N 单层上的无机分子（NO、CO、NO2、SO2 和 NH3）的输运和传感特性。结果表明，CO、SO2 和 NH3 以物理吸附的形式存在于C5N表面，而 NO 和NO2 则以化学吸附的形式粘附在 C5N 表面。设计的C5N 气敏传感器对 NO 和 NO2 分子表现出很高的灵敏度，在 0.1 V 偏压下对 NO2 的灵敏度达到81%。最后研究了应变对气敏器件吸附性能的影响。研究表明，在扶手椅方向施加 -4% 的应变可以明显增加 NO 和 NO2 的电流，显著提高气敏器件的性能。无论是对器件施加应变还是气体吸附，C5N 材料始终保持明显的各向异性。本研究表明 C5N 是一种高度各向异性和灵敏性的二维材料，在电子特性和气体传感领域有着广阔的应用潜力。
Li, H., Liu, Z., Liu, G., Yang, N., Wu, Q., Xiao, X., & Chen, T. (2024). Biaxila strain modulated high anisotropic gas-sensing performance of C5N-based two-dimensional devices: A first-principles study. Surfaces and Interfaces, 48, 104277. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2024.104277
图1. (a) C5N 单层纳米器件的示意图。(b) 扶手椅型方向和锯齿型方向的I-V曲线。(c) 零偏置下两个方向的透射谱，插图显示了费米能级处的局部态密度（LDOS）
金改性黑磷烯：氮氧化物去除剂和氢传感器
有效检测有毒气体和清洁能源氢气在工业生产和日常生活中是迫切需要的。本文通过密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，从理论上研究了 Au 吸附/掺杂黑磷烯单层对六种不同气体（CO、H2、H2S、NO、NO2 和 SO2）的传感特性。计算的吸附能、电荷转移、电子局域化函数、能带结构和态密度表明，Au 吸附/掺杂黑磷烯对 NOx 气体表现出敏感的化学吸附，令人惊讶的是，Au 掺杂黑磷烯对 H2 分子表现出敏感的物理吸附。计算的恢复时间和电流-电压曲线表明，金吸附/掺杂的黑磷烯器件可作为超灵敏（灵敏度 71%–100%）的 NOx 分子去除剂，更重要的是，金掺杂的黑磷烯传感器在室温下实现了对 H2 的高灵敏度（灵敏度 85%）、选择性和可重复使用（恢复时间为 0.01 ns）检测。作者的研究结果为金吸附/掺杂的黑磷烯在气体传感中的潜在应用提供了理论基础，特别是在理想的 NOx 去除剂和 H2 传感器中。
He, H., Hao, Z.-W., Lu, X.-Q., Dong, M.-M., Li, Z.-L., Wang, C.-K., & Fu, X.-X. (2024). Black phosphorene with Au modification: Oxynitride remover and hydrogen sensor. Applied Surface Science, 651, 159194. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.159194
图2.（a，b）吸附金和（c，d）掺杂金的黑磷气体传感器的I-V特性和灵敏度
磷硼烷纳米片作为液化石油气传感元件——第一性原理研究
目前，元素单层材料因其对空气污染物具有优异的选择性、敏感性和稳定性而受到研究界的关注。在目前的工作中，作者使用稳定的磷硼烷作为传感器来检测液化石油气（LPG）气体，即异丁烷和正丙烷。首先，通过内聚能验证了纯磷硼烷的结构稳定性。然后，借助能带结构和投影态密度（PDOS）谱研究了纯磷硼烷的电子特性。计算出磷硼烷的带隙为 2.734 eV（混合GGA/B3LYP），其显示出半导体性质。值得注意的是，通过确定吸附能、相对带隙变化和 Mulliken 电荷转移，研究了异丁烷和正丙烷分子在磷硼烷上的吸附性能。特别是，计算的吸附能在物理吸附区（0.225 eV至0.774 eV）中被注意到，并且 Mulliken 电荷转移在 0.027 e至0.223 e 的范围内，这表明所提出的磷硼烷是一种很有前景的检测 LPG 分子的传感器。
Nagarajan, V., Bhuvaneswari, R., & Chandiramouli, R. (2024). Phosphoborane nanosheets as a sensing element for liquefied petroleum gas – A first-principles study. Chemical Physics Letters, 834, 140967. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2023.140967
图3. 异丁烷吸附的硼化磷的能带结构和PDOS谱
取代掺杂单层GeS的负微分电阻效应及其在气体传感器中的应用
单层 GeS 由于其高表面积和优异的稳定性而被证明是一种潜在的二维气敏材料。为了探索这种新型气体传感器，本文结合密度泛函理论和非平衡格林函数形式，研究了取代掺杂单层 GeS 对 CO、CO2、NH3、SO2、H2S、NO 和 NO2 气体的吸附和电子输运特性。能带结构表明，N 原子的掺杂导致单层 GeS 从半导体向导体的转变，这是由于掺杂原子提供了额外的载流子。此外，掺杂N原子后，单层 GeS 对气体 SO2 的吸附能力显著增强。在基于 N 掺杂 GeS（N-GeS）单层的气体传感器中获得了鲁棒的负微分电阻（NDR）效应。通过比较吸附剂在吸附 CO、CO2、NH3、SO2 和 H2S 气体前后的 NDR 行为变化，可以验证其选择性和敏感性。此外，在吸附磁性气体 NO2 的情况下，在原始和 C 掺杂的 GeS（C-GeS）单层中也可以呈现NDR 行为。研究结果为设计基于 NDR 的气体传感器提供了一条新的途径，用于在室温下检测气体 SO2 和 NO2。
Guo, C., Li, J., & Wang, T. (2024). The Negative Differential Resistance Effect of Substitutional Doped Monolayer GeS and Its Application in Gas Sensor. IEEE Sensors Journal, 24(11), Article 11. https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3387912
图4. 基于N-GeS单层的气体传感器的I-V曲线
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