질소와 황 가스에 대한 2차원 구조 나노센서의 제1원리 연구 = First-principles study of 2D structures on nanosensors towards nitrogen and sulfur gases

국문 초록 (Abstract)

질소와 황 가스에 대한 2차원 구조 나노센서의 제1원리 연구
열역학적 분석과 제일 원리 계산을 통해, 우리는 2차원 MoSi2N4 (2D MSN) 단일층이 다양한 위험 가스 분자들을 감지하는 방식을 연구하였다. 이 연구에는 CO, CO2, NO, NO2, SO2, H2S, NH3, CH4, 메탄올 (CH3OH), 에탄올 (C2H5OH), 아세톤 (C3H6O) 등이 포함되었다. 처음에는 이러한 분자들이 기존 MSN 단층에 약한 결합력 (0.13에서 0.36 eV)을 보였으나, 전하가 부여된 MSN 단층에서는 상당한 정도의 전하 이동 (0.36e 에서 0.67e)으로 인해 강화된 정전기 상호작용을 통해 흡착 에너지가 급격히 증가함을 관찰했다 (0.38에서 0.86 eV). 특히 음전하를 띄는 MSN 단층에서는 H2S와 NH3에 대한 흡착력이 크게 향상되었고, 음전하 및 양전하 모두를 띄는 MSN 단층에서는 NO와 NO2에 대한 흡착력이 높아졌다. 이러한 적절한 흡착 에너지는 MSN 단층의 전자적 성질과 일함수에 변화를 가져와, 효과적인 나노 센서로서의 가능성을 입증한다. 열역학적 분석을 적용하여 MSN 단층이 상온에서 가역적인 감지 기능을 가짐을 확인하였으며, 이런 연구 결과가 게이트 처리된 MSN 단층이 일반적인 환경 오염물에 대해 민감하고 선택적인 나노센서로 작동할 수 있다는 것을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Using first-principles calculations coupled with thermodynamic analysis, we have explored the sensing behavior of the two-dimensional MoSi2N4 (2D MSN) monolayer towards selected hazardous gas molecules, such as CO, CO2, NO, NO2, SO2, H2S, NH3, CH4, methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), and acetone (C3H6O). We find that the incident molecules bind weakly (0.13 to 0.36 eV) on pristine monolayer, however the adsorption energies improve significantly (0.38 to 0.86 eV) on the charged MSN monolayer because of the enhanced electrostatic interaction caused by appreciable charge transfers (0.36e to 0.67e). In particular, negatively charged MSN monolayers exhibit a substantial improvement in the adsorption of H2S and NH3, while both negatively and positively charged MSN monolayers showed enhanced adsorption towards NO and NO2. Appropriate adsorption energies are coupled with quantifiable changes in the electronic properties, and variation in the work function of MSN monolayer, which authenticate its potential as efficient nanosensor. Application of thermodynamic analysis further validate the reversible sensing characteristics of MSN monolayer at ambient conditions. Our findings show that gated MSN monolayers can serve as sensitive and selective nanosensors towards common pollutants.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 대기 오염 물질 탐지 연구의 필요성 1
• 제2절 화학적 감지 센서로써 2D 물질의 장점 2
• 제3절 현재까지의 연구 현황과 새로운 2D 물질의 발견 3
• 제2장 이론 5
• 제1절 밀도 범 함수 이론(DFT) 5
• 제3장 MSN 단일층을 이용한 유해 가스 흡착 11
• 제1절 계산의 세부사항 11
• 제2절 MSN 단일층의 가스 분자와의 결합에너지 계산 12
• 제3절 극성 가스 분자들과 결합 강화를 위한 MSN 단일층에 전하 충전 유도 14
• 제4절 열역학적 계산을 통한 전하 충전 유도의 유효성 검증 16
• 제4장 결론 32
• 참고문헌 34
• 국문초록 41