Ab-initio study of adsorption of gas molecules on graphene and related structure.

Abstract

Le graphène, dopé avec des métaux de transition, est considéré comme un bon candidat pour la détection de petites molécules de gaz. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la configuration de capteurs de gaz à base de graphène. Dans le présent travail, les propriétés électroniques et de transport des molécules adsorbées sur la structure Fe-AGNR sont étudiées. Nous observons que l'adsorption de molécules de gaz sur le plan de Fe-AGNR modifie de manière significative les propriétés électroniques des bandes de valence et de conduction. De plus, les molécules adsorbées modifient la densité électronique locale des états du nanorubans de graphène, modifiant ainsi la conductivité qui est une quantité de sortie des capteurs à gaz. Nous observons également que les molécules adsorbées induisent des bandes d'impuretés spécifiques qui jouent un rôle dans les propriétés de transport. Enfin, compte tenu des variations constatées de la conductivité électrique induites par les molécules détectées, nous proposons plusieurs stratégies pour mettre en place des capteurs de gaz pour les molécules de CO, CO2, NO et NO2. Ces stratégies sont basées soit sur la mesure de la conductivité dans la bande de valence, soit sur la bande de conduction (en utilisant Fe-AGNR dopé p ou n) ou à la polarisation de spin induite par les molécules NO et NO2. Graphene, when doped with transition metals, is considered, both experimentally and theoretically, as a good candidate for the detection of gas molecules as CO, CO2 , NO or NO2. This opens new perspectives for gas sensor set-ups considering that devices based on two-dimensional graphene are more sensitive to detect molecules than solid-state gas sensors. In the present work, the electronic and transport properties of molecules adsorbed on Fe-AGNR are scrutinized using ab-initio calculations. We observe that the adsorption of gas molecules on Fe-AGNR changes significantly the electronic properties of both the valence and the conduction bands. Besides, the adsorbed molecules change the local electron density of states of the graphene nanoribbons, modifying thus the conductivity, being one of the main output quantity of the gas sensors. We also observe that the adsorbed molecules induce specific impurity band which play a role in the transport properties. Finally, considering the observed variations of electrical conductance induced by the molecules, we propose several strategies to set-up gas sensors for CO, CO2, NO and NO2 molecules. These strategies are either based on the measurement of the conductance in the valence or the conduction band (using either p or n-doped Fe-AGNR) or to the spin polarization induced by the NO and NO2 molecules.