文 献 综 述

1. 研究背景

二维材料是迄今为止最薄的纳米材料，二维层状材料在二维平面内原子之间为很强的共价作用，而在垂直于二维平面的方向上即相邻单层之间为弱的范德华力作用。在这种体系中电子被限制在二维平面内运动，所以会具有一些独特的机械、电学和光学性质，从而引起了物理、化学、材料、电子、生物等众多领域科研人员的广泛关注。

目前对高灵敏度、快速响应、高选择性、高可靠性、快速恢复和低成本的微型传感器的需求，促使科学家们寻求基于新型纳米材料的新型气体传感系统。石墨烯是第一个发现的二维原子晶体[1]，由于其具有高表面积比、高载流子迁移率、高化学稳定性、低电子温度噪声、高热稳定性和快速响应时间等优异性能而备受关注[2]。因此，它在开发高选择性、快速回收、高密度、低功耗[3]的超灵敏气体传感器方面具有广阔的应用前景。石墨烯在气体传感和生物传感中的应用在实验和理论中都得到了广泛的研究。然而本征石墨烯对CO、CO₂、CH₄、N₂、NO₂、NH₃、H₂、H₂O[4]等常见气体分子的敏感性较低，限制了其检测单个气体分子的潜力。而BCN二维材料因大的比表面积、优异的半导体性能和较高的表面活性，在气体传感应用中有着显著的优势。近年来，在BCN二维材料研究方面取得的突出进展使高性能气体传感器的实现成为可能。BCN二维材料的表面容易吸附外界分子，而不同的吸附分子与BCN二维材料间的电荷转移会影响BCN二维材料的电学性能，从而可以用来检测不同的气体，基于BCN二维材料传感器的研制对于环境污染的监测具有重要的意义。

2. 石墨烯的性质

石墨烯是一种典型的二维材料，其C原子相互结合形成单原子层的蜂窝状晶格。在石墨烯的结构中，每个原胞有两个C原子，即两个子格。C原子间形成sp²杂化，并在垂直于C原子层的方向形成π键。由于原胞中两个子格的等价性，石墨烯的能带在布里渊区的K点附近呈现线性色散关系并交汇于K点形成零带隙，总体呈现狄拉克锥形状。由于能带中线性色散关系的存在，使得石墨烯中出现了理论中预言的零质量的狄拉克费米子，这使得石墨烯的电子迁移率达到了10000cm²/V，极高的电子迁移率促使石墨烯分子发生化学吸附，并在气体吸附领域中有着广泛的应用价值。

3. 关于BCN气体吸附的研究进程

通过对有关BCN文献的查找和阅读，发现了b掺杂、n掺杂和缺陷石墨烯与NO₂、CO、NO、NH₃等小气体分子之间的强相互作用[5]；与本征石墨烯相比，B^-、N^-和Si^-掺杂石墨烯与N₂、NO、NO₂、NH₃、SO₂、CO、CO₂、O₂、H₂和H₂O等常见气体的相互作用增强[4]；掺杂过渡金属(Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)的石墨烯对O₂吸附表现出较高的敏感性[6]；H₂S与缺陷石墨烯C原子的相互作用强于本征石墨烯[7]。密度泛函理论(DFT)在Eu掺杂单面和双面石墨烯薄片上的计算表明，每个Eu可以与6个氢分子牢固结合[8]；单分子层石墨烯薄片上的共锚定基对NO、H₂S和HCN分子表现出很高的敏感性[9]；金属掺杂的双层石墨烯对吸附的气体分子具有很高的传感性能[10]。

受到石墨烯令人惊讶的气体传感性能的启发，其他二维结构如MoS₂，WS₂，磷烯，氮化硼，硅烯和锗烯对各种气体的感应能力已经纷纷进入研究。目前，石墨烯类碳化硼（BC₃）片已可以在NbB₂（0001）表面上外延生长[11]。BC₃和石墨烯的2D蜂窝结构是类似的，因为B（87pm）和C（67pm）的原子半径相似。B原子在片中有序分布，每个B原子与三个C原子结合，因此一个六边形中的C原子能被六个B原子所包围。与零间隙半金属石墨烯不同，BC₃是带隙为0.46-0.73eV的半导体[12]。研究表明，本征的、掺杂Li的、聚锂化的分子掺杂的和过渡金属掺杂的BC₃具有很高的H₂储存潜力。

用BC₃作为气体传感器的能力已在实验中进行了评估。Beheshtian等人使用DFT研究了本征、Al和Si掺杂的BC₃片对甲醛（H₂CO）分子的电子灵敏度[13]。他们发现虽然H₂CO在薄片上的吸附十分微弱，但Al和Si掺杂都增强了BC₃薄片对H₂CO的反应性。Peyghan等人引入BC₃纳米管作为CO检测的潜在气体传感器[14]。