基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法

摘要

本发明公开了一种基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法，其方案是：构建本征ZnO单层模型；根据不同吸附位点和HF分子取向，分别构建HF吸附在本征ZnO单层上和吸附在Al掺杂的ZnO单层上的模型；计算每种吸附模型的结构稳定性和电子性质，得到HF吸附在本征ZnO单层上和Al掺杂的ZnO单层上的吸附能、吸附高度、结构参数、能带结构、态密度、密立根电荷布居及差分电荷密度。本发明通过仿真预测出了Al掺杂的ZnO单层材料对HF有良好吸附效果，且比本征ZnO单层吸附效果更敏感的结果，为更好利用该材料对HF这一有毒气体进行检测提供了实验依据，可用于设计基于掺杂Al原子单层ZnO材料的HF气体探测器。

说明书

技术领域

本发明属于材料学技术领域，特别涉及一种HF吸附性能预测方法，可用于HF有毒气体的检测，减少环境污染和保护人体健康。

背景技术

近年来，二维材料由于其独特的性能，如无层间相互作用的电子约束、较大的机械弹性、高的光学透明性、较大的横向尺寸和超薄的厚度等，引起了人们越来越多的研究兴趣。石墨烯是一种典型的二维材料，具有许多优良的性能，但其固有的“零带隙”特点使其在半导体器件或集成电路领域中的应用受到限制。二维ZnO单层ZnO-ML是一种带隙范围在3.25～4.0eV之间可调的宽禁带半导体纳米材料，在低维电子器件中具有广阔的应用前景。

CO、NO、NH

对于HF气体，2010年，Sun等人研究了本征石墨烯和Al掺杂石墨烯对于HF分子的吸附作用，结果表明HF分子在本征石墨烯和Al掺杂石墨烯上的吸附机制不同：本征石墨烯与HF之间的吸附作用是弱物理吸附，而掺Al石墨烯与HF分子之间是化学吸附。HF吸附在掺Al石墨烯上比在本征石墨烯上具有更低的吸附能和更小的吸附高度。在二维材料表面吸附气体后，气体分子与二维材料之间发生的电荷转移，可以改变材料的导电性，进而影响整体的灵敏度。掺Al之后的石墨烯，与HF之间的电荷转移只有0.024e，二者之间的相互作用并不是很强，因此基于Al原子修饰的石墨烯对HF的吸附效果并不显著，不能很好的应用于HF气体的检测。

目前，科研人员对大气污染物CO、NO、NO

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法，以获得掺杂Al原子单层ZnO对HF的吸附效果，用于实现对工业废气中的HF有毒气体进行高灵敏探测，减少环境污染和保护人体健康。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.技术原理

ZnO是一种由Ⅱ

二.技术方案

根据上述原理本发明基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法，是通过构建本征ZnO-ML和Al掺杂ZnO-ML的超晶胞模型，考虑不同的吸附位点和HF分子的取向，建立HF吸附在本征ZnO-ML和Al掺杂ZnO-ML上的吸附模型，并通过对吸附模型进行几何优化得出吸附能和吸附高度，以此判断出相对稳定的吸附结构，进而对其电子性质进行计算，预测出Al掺杂对基ZnO-ML材料进行HF吸附性能的效果，其实现步骤如下：

1)对ZnO体材料原胞沿(0001)晶面进行切割，并在垂直于z轴的方向添加

2)采用广义梯度近似的方法对本征ZnO单层原胞进行几何优化，得到本征ZnO单层模型ZnO-ML；

3)按照理论的H-F键长度确定H原子和F原子坐标，并进行连接，构建单独的HF原胞，对其采用广义梯度近似法进行优化，得到稳定的HF分子模型；

4)按照不同的吸附位点和HF分子的取向，将HF分子添加到ZnO-ML表面，形成多个本征ZnO-ML吸附HF的结构，采用广义梯度近似法对每一种结构进行优化，得到本征ZnO-ML吸附HF模型体系；

5)计算本征ZnO-ML吸附HF模型体系中每一种结构的吸附能E

6)在本征ZnO-ML模型中，用Al原子替代Zn原子构建Al掺杂的ZnO-ML原胞；对其采用广义梯度近似的方法进行几何优化，得到Al掺杂的ZnO-ML模型Al-ZnO-ML；

7)按照步骤5)选取的四种结构中HF分子的吸附方式，采用的T

8)计算Al-ZnO-ML吸附HF模型体系中每一种结构的吸附能E

9)对本征ZnO-ML吸附HF模型体系和Al-ZnO-ML吸附HF模型体系中各自最稳定的结构进行密立根电荷布居及差分电荷密度Δρ的计算，获得HF吸附性能的预测结果。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明按照不同的吸附位点和HF分子的取向，构建HF分子在本征ZnO-ML上和Al-ZnO-ML上吸附的模型，利用第一性原理计算中的广义梯度近似法，获得HF吸附性能的预测结果，对基于ZnO单层材料的HF气体探测器研究提供了参考。

2、本发明建立了Al原子掺杂ZnO-ML时吸附HF的超晶胞模型，计算结果表明Al原子的加入使得ZnO-ML对HF的吸附作用由物理吸附转化为化学吸附，吸附效果明显增强，为将掺杂Al原子的ZnO单层用于HF气体探测器提供理论依据。

3、本发明方法相较于实验验证，避免了实验过程中多种不确定因素导致的人力财力的浪费，得到的结果也较为精准，具有低成本、无污染的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的实现流程图；

图2是本征ZnO-ML优化前的示意图；

图3是本征ZnO-ML优化后的侧视图；

图4是HF分子优化后的示意图；

图5是ZnO-ML吸附HF的吸附位点示意图；

图6是ZnO-ML吸附HF部分吸附结构的示意图；

图7是本征ZnO-ML吸附HF优化后的示意图；

图8是本征ZnO-ML模型的能带结构图；

图9是本征ZnO-ML吸附HF模型的能带结构图；

图10是本征ZnO-ML模型的态密度图；

图11是本征ZnO-ML吸附HF模型的态密度图；

图12是Al掺杂ZnO-ML模型的示意图；

图13是Al-ZnO-ML吸附HF模型优化后的示意图；

图14是Al-ZnO-ML吸附HF模型的能带结构图；

图15是Al-ZnO-ML吸附HF模型的态密度图；

图16是Al-ZnO-ML吸附HF模型中HF分子在费米能级附近的态密度图；

图17是HF吸附在本征ZnO-ML上最稳定模型的差分电荷密度图；

图18是HF吸附在Al-ZnO-ML上最稳定模型的差分电荷密度图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明。

参照图1，本实例基于掺杂Al原子单层ZnO的HF吸附性能预测方法，其实现步骤如下：

步骤1，构建本征ZnO-ML原胞。

理想的ZnO是具有空间群P6

本步骤的具体实现是：

先构建4×4×1的ZnO体材料原胞模型，沿(0001)极性面进行切片，得到厚度为1个Zn-O单层的ZnO晶面；

再在ZnO晶面上方引入厚度为

图2(a)为本征ZnO-ML超胞模型优化前的俯视图；

图2(b)为本征ZnO-ML超胞模型优化前的侧视图；

从图2可以看出，优化前的ZnO-ML呈六边形结构，其平面褶皱不平。

步骤2，对本征ZnO-ML原胞采用广义梯度近似方法进行几何优化。

2.1)设置参数：

使用广义梯度近似方法与修正泛函来描述电子间的交换互联电势，采用超软赝势来描述价电子与原子核之间的相互作用；

设k空间网格为2×2×2，布里渊区k点的路径设置为：Γ-Α-Η-K-Γ-Μ-L-H，平面波能量精度为1×10

2.2)对本征ZnO-ML原胞的晶格常数和原子位置同时进行优化：

2.2.1)选择优化超胞，设置迭代次数为100；

2.2.2)在上述参数条件下进行第一步迭代，计算整个本征ZnO-ML原胞的总势能，并利用总势能随原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面；

2.2.3)对势能面求最低极小值，由于此时该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，改变本征ZnO-ML原胞的晶格常数或移动ZnO-ML中各原子位置进行2.2.4)迭代计算；

2.2.4)重新计算整个本征ZnO-ML原胞的总势能，并利用总势能随ZnO-ML中原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面，对势能面求最低极小值，将该值与设置的能量的收敛精度进行比较：

若该值小于设置的收敛精度，则整个迭代过程自动中断，几何优化结束；

若该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，执行2.2.5)；

2.2.5)改变本征ZnO-ML原胞的晶格常数或移动ZnO-ML中各原子位置进行下一步迭代计算，重复该步操作，直到系统在设置的迭代次数内，检测到本征ZnO-ML势能面的最低极小值小于设定的能量收敛精度时视为收敛，整个迭代过程自动中断，几何优化结束。

本实例优化后得到4×4×1的本征ZnO-ML模型。优化后的ZnO-ML的侧视图，如图3所示，从图3可见，优化后的ZnO-ML与优化前不同，优化后所有的原子都位于同一个平面内，即ZnO-ML具有和石墨烯类似的平面六元环结构。

步骤3，构建单独的HF原胞。

在坐标原点插入一个H原子，按照理论的H-F键长度确定F原子坐标后，插入F原子，对H原子和F原子进行连接，得到单独的HF原胞。

步骤4，对单独的HF原胞采用广义梯度近似法进行几何优化。

4.1)设置参数：

使用广义梯度近似方法与修正泛函来描述电子间的交换互联电势，采用超软赝势来描述价电子与原子核之间的相互作用；

设k空间网格为2×2×2，布里渊区k点的路径设置为：Γ-Α-Η-K-Γ-Μ-L-H，平面波能量精度为1×10

4.2)对HF原胞的原子位置进行优化：

4.2.1)设置迭代次数为100；

4.2.2)在上述参数条件下进行第一步迭代，计算整个HF原胞的总势能，并利用总势能随原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面；

4.2.3)对势能面求最低极小值，由于此时该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，移动HF原胞中各原子位置进行4.2.4)迭代计算；

4.2.4)重新计算整个HF原胞的总势能，并利用总势能随HF各原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面，对势能面求最低极小值，将该值与设置的能量的收敛精度进行比较：

若该值小于设置的收敛精度，则整个迭代过程自动中断，几何优化结束；

若该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，执行4.2.5)；

4.2.5)移动HF中各原子位置进行下一步迭代计算，重复该步操作，直到系统在设置的迭代次数内，检测到HF势能面的最低极小值小于设定的能量收敛精度时视为收敛，整个迭代过程自动中断，几何优化结束。

本实例优化后得到稳定的HF分子模型，如图4所示，从图4可见，优化后的HF分子为键长呈

步骤5，按照不同的吸附位点和HF分子的取向，将HF分子添加到ZnO-ML表面，形成多个本征ZnO-ML吸附HF的结构。

将步骤4优化得到的HF分子添加到ZnO-ML表面过程中，需要考虑HF分子不同的吸附位点，HF分子在ZnO-ML表面的吸附位点位置如图5所示。从图5可见，这些吸附位点包括：O原子顶位T

为了获得更稳定的结构，考虑了HF分子平行于ZnO-ML表面HF∥ZnO-ML和HF分子垂直于ZnO-ML表面HF⊥ZnO-ML两种不同取向，形成多个本征ZnO-ML吸附HF的结构，包括HF平行吸附在ZnO-ML表面的吸附构型和HF垂直吸附在ZnO-ML表面的吸附构型这两种结构：

对于HF平行吸附在ZnO-ML表面的吸附构型，由于H-F键长小于Zn-O键长，从O原子顶位T

对于HF垂直吸附在ZnO-ML表面的吸附构型，根据图5所示的O原子顶位T

综合HF平行吸附在ZnO-ML表面的吸附构型和HF垂直吸附在ZnO-ML表面的吸附构型，本实例共建立了20种模型。并将HF平行吸附在ZnO-ML表面的吸附构型，表示为X(Y)-Z，将HF垂直吸附在ZnO-ML表面的吸附构型，表示为X(Y)，其中X表示吸附位点，Y表示吸附位点上的原子，Z表示HF吸附点外的原子的朝向。

以吸附位点上的原子是H原子为例，结合具体吸附结构，对上述HF平行吸附在ZnO-ML表面的吸附构型和HF垂直吸附在ZnO-ML表面的吸附构型所用的表示方法，通过图6所示的ZnO-ML吸附HF部分吸附结构示意图进行说明，其中：

图6(a)是HF平行于ZnO-ML表面进行吸附的吸附模型的俯视图，图6(b)是HF平行于ZnO-ML表面进行吸附的吸附模型的侧视图：图中H原子吸附在ZnO-ML六边形的中心位置P处、F原子朝向O原子的顶位T

图6(c)是HF垂直于ZnO-ML表面进行吸附的吸附模型的俯视图，图6(d)是HF垂直于ZnO-ML表面进行吸附的吸附模型的侧视图：图中整个HF分子垂直吸附在O原子顶位T

吸附位点上的原子是F原子的吸附模型表示方法与H原子类似。

步骤6，采用广义梯度近似法对每一个本征ZnO-ML吸附HF的结构进行几何优化。

6.1)设置参数：

使用广义梯度近似方法与修正泛函来描述电子间的交换互联电势，采用超软赝势来描述价电子与原子核之间的相互作用；

设k空间网格为2×2×2，布里渊区k点的路径设置为：Γ-Α-Η-K-Γ-Μ-L-H，平面波能量精度为1×10

6.2)对本征ZnO-ML吸附HF结构模型的原子位置进行优化：

6.2.1)设置迭代次数为100；

6.2.2)在上述参数条件下进行第一步迭代，计算整个本征ZnO-ML吸附HF结构的总势能，并利用总势能随原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面；

6.2.3)对势能面求最低极小值，由于此时该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，移动本征ZnO-ML吸附HF的结构中各原子位置进行6.2.4)迭代计算；

6.2.4)重新计算整个本征ZnO-ML吸附HF结构的总势能，并利用总势能随结构中原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面，对势能面求最低极小值，将该值与设置的能量的收敛精度进行比较：

若该值小于设置的收敛精度，则整个迭代过程自动中断，几何优化结束；

若该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，执行6.2.5)；

6.2.5)移动本征ZnO-ML吸附HF结构中各原子位置进行下一步迭代计算，重复该步操作，直到系统在设置的迭代次数内，检测到本征ZnO-ML吸附HF结构势能面的最低极小值小于设定的能量收敛精度时视为收敛，整个迭代过程自动中断，几何优化结束。

该步骤结束后得到本征ZnO-ML吸附HF模型体系。

步骤7，计算本征ZnO-ML吸附HF模型体系中每一种结构的吸附能E

7.1)通过如下公式计算吸附能E

E

其中，E

当吸附能E

当吸附能E

对于吸附在二维纳米材料上的气体分子，其吸附能大于-0.80eV的为物理吸附，小于-0.80eV的为化学吸附；

7.2)通过测量得到吸附高度D，即为HF分子与本征ZnO-ML之间的最短距离。

7.3)对步骤6得到的本征ZnO-ML吸附HF模型体系中20种结构进行7.1)-7.2)计算，得到的吸附能E

7.4)将表1计算得到的吸附能E

从表2排完序后的结构模型中选择前四种结构：分别为T

表1.本征ZnO-ML吸附HF模型体系的吸附能E

表2.本征ZnO-ML吸附HF模型体系中各模型的排列顺序

从表2中可以看出，HF分子吸附在本征ZnO-ML上的吸附能几乎都是负的，这意味着ZnO-ML吸附HF分子的过程是放热的，HF能够稳定吸附在ZnO-ML表面。此外，大部分吸附模型几何优化后的吸附高度在

步骤8，计算HF以T

8.1)将HF以T

图7(a)为T

图7(b)为T

图7(c)为P(F)-T

图7(d)为P(F)-T

图7(e)为T

图7(f)为T

图7(g)为T

图7(h)为T

从图7(a)-7(b)可以看出，T

从图7(c)-7(d)可以看出，P(F)-O模型在优化前后发生了较大变化：优化后HF分子从原来的平行吸附在ZnO-ML表面变化为倾斜吸附在ZnO-ML表面，且HF分子由原来的F原子吸附在ZnO-ML六边形的中心位P处变化为H原子吸附在O原子顶位T

从图7(e)-7(f)可以看出，T

从图7(g)-7(h)可以看出，T

综上所述，T

8.2)计算8.1)中得到的四种几何优化后的模型的结构参数，得到的结果如表3所示，表3中d

表3.本征ZnO-ML吸附HF模型几何优化后的结构参数

由于HF分子的吸附，四种吸附模型的ZnO-ML衬底的键长、键角均发生了轻微的畸变，O

对HF以上述四种吸附方式吸附在本征ZnO-ML模型的键布居进行计算，获得体系中的成键情况。四种吸附模型中H-F键的键布居均为0.40，表示H原子与F原子仍然成键，因此可知HF与本征ZnO-ML之间的吸附方式为分子吸附。

通过步骤7和步骤8可以得到，大部分吸附模型的吸附能都在-0.52～-0.51eV范围内，吸附高度在

步骤9，计算本征ZnO-ML吸附HF模型体系中相对稳定的四种结构的能带结构和态密度。

9.1)利用模拟软件对本征ZnO-ML的能带结构进行计算，绘制其能带结构图如图8所示；

能带图中的虚线表示费米能级E

从图8可以看出，本征ZnO-ML的禁带宽度E

9.2)利用模拟软件对通过步骤7得到本征ZnO-ML吸附HF模型体系中相对稳定的T

图9(a)为HF以T

图9(b)为HF以P(F)-T

图9(c)为HF以T

图9(d)为HF以T

从图9中T

9.3)利用模拟软件对本征ZnO-ML的态密度进行计算，绘制其态密度图如图10所示；

从图10可以看出，本征ZnO-ML的下价带主要是由Zn-3d轨道贡献，而上价带主要来自O-2p轨道的贡献。此外，ZnO-ML的导带主要由O-2p和Zn-4s态组成。

9.4)利用模拟软件对通过步骤7得到本征ZnO-ML吸附HF模型体系中相对稳定的T

图11(a)为HF以T

图11(b)为HF以P(F)-T

图11(c)为HF以T

图11(d)为HF以T

通过将图11中T

从图11(a)T

从图11(c)T

从图11(d)T

综上，四种吸附模型的态密度图中导带部分与本征ZnO-ML的导带部分相比，各吸附模型导带部分形态基本没有发生变化，只是向高能级方向发生移动，HF的贡献主要在价带部分，这与能带结构部分的分析结果保持一致。HF和Zn-3d、O-2p之间的弱杂化，费米能级E

步骤10，构建Al掺杂ZnO-ML原胞。

在步骤2构建的本征ZnO-ML模型基础上，利用Al原子替代Zn原子，得到Al掺杂的ZnO-ML原胞。

步骤11，对Al掺杂ZnO-ML原胞采用广义梯度近似的方法进行几何优化。

11.1)设置参数：

使用广义梯度近似方法与修正泛函来描述电子间的交换互联电势，采用超软赝势来描述价电子与原子核之间的相互作用；

设k空间网格为2×2×2，布里渊区k点的路径设置为：Γ-Α-Η-K-Γ-Μ-L-H，平面波能量精度为1×10

11.2)对Al掺杂ZnO-ML原胞的晶格常数和原子位置同时进行优化：

11.2.1)选择优化超胞，设置迭代次数为100；

11.2.2)在上述参数条件下进行第一步迭代，计算整个Al掺杂ZnO-ML原胞的总势能，并利用总势能随原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面；

11.2.3)对势能面求最低极小值，由于此时该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，改变Al掺杂ZnO-ML的晶格常数或移动Al掺杂ZnO-ML中各原子位置进行11.2.4)迭代计算；

11.2.4)重新计算整个Al掺杂ZnO-ML原胞的总势能，并利用总势能随Al掺杂ZnO-ML原胞中原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面，对势能面求最低极小值，将该值与设置的能量的收敛精度进行比较：

若该值小于设置的收敛精度，则整个迭代过程自动中断，几何优化结束；

若该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，执行11.2.5)；

11.2.5)改变Al掺杂ZnO-ML原胞的晶格常数或移动Al掺杂ZnO-ML原胞中各原子位置进行下一步迭代计算，重复该步操作，直到系统在设置的迭代次数内，检测到Al掺杂ZnO-ML原胞势能面的最低极小值小于设定的能量收敛精度时视为收敛，整个迭代过程自动中断，几何优化结束。

本实例优化后得到Al掺杂的ZnO-ML模型Al-ZnO-ML，如图12所示，其中：

图12(a)为Al-ZnO-ML优化后的俯视图；

图12(b)为Al-ZnO-ML优化后的侧视图；

从图12可以看出掺杂Al原子之后，ZnO-ML模型内部结构发生畸变，通过测量发现掺杂剂Al与离其最近的三个O原子之间的键长均小于本征ZnO-ML中的Zn-O键长。此外，Al-ZnO-ML的晶格常数a也小于本征ZnO-ML的晶格常数a，这种现象与Al原子在ZnO体材料中掺杂的结果一致。

步骤12，在Al-ZnO-ML模型上进行HF吸附，形成四个Al-ZnO-ML吸附HF的结构。

为了研究Al掺杂对ZnO-ML吸附HF的影响，按照步骤7选取的四种结构的吸附方式，把吸附位点中的Zn原子顶位T

Al-T

Al-P(F)-T

Al-T

Al-T

步骤13，对四个Al-ZnO-ML吸附HF的结构采用广义梯度近似法进行几何优化。

13.1)设置参数：

使用广义梯度近似方法与修正泛函来描述电子间的交换互联电势，采用超软赝势来描述价电子与原子核之间的相互作用；

设k空间网格为2×2×2，布里渊区k点的路径设置为：Γ-Α-Η-K-Γ-Μ-L-H，平面波能量精度为1×10

13.2)对Al-ZnO-ML吸附HF的结构模型的原子位置进行优化：

13.2.1)设置迭代次数为100；

13.2.2)在上述参数条件下进行第一步迭代，计算整个Al-ZnO-ML吸附HF的结构的总势能，并利用总势能随原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面；

13.2.3)对势能面求最低极小值，由于此时该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，移动Al-ZnO-ML吸附HF的结构中各原子位置进行13.2.4)迭代计算；

13.2.4)重新计算整个Al-ZnO-ML吸附HF结构的总势能，并利用总势能随结构中原子的不同坐标参数变化得到的图像构成势能面，对势能面求最低极小值，将该值与设置的能量的收敛精度进行比较：

若该值小于设置的收敛精度，则整个迭代过程自动中断，几何优化结束；

若该值大于设置的收敛精度，则该步迭代结束，执行13.2.5)；

13.2.5)移动Al-ZnO-ML吸附HF结构中各原子位置进行下一步迭代计算，重复该步操作，直到系统在设置的迭代次数内，检测到Al-ZnO-ML吸附HF结构势能面的最低极小值小于设定的能量收敛精度时视为收敛，整个迭代过程自动中断，几何优化结束。

该步骤结束后得到Al-ZnO-ML吸附HF模型体系，如图13所示，其中：

图13(a)为Al-T

图13(b)为Al-T

图13(c)为Al-P(F)-T

图13(d)为Al-P(F)-T

图13(e)为Al-T

图13(f)为Al-T

图13(g)为Al-T

图13(h)为Al-T

从图13(a)-13(b)可以看出，Al-T

从图13(c)-13(d)可以看出，Al-P(F)-T

从图13(e)-13(f)可以看出，Al-T

从图13(g)-13(h)可以看出，Al-T

综上所述，Al-P(F)-T

步骤14，计算HF以Al-T

对步骤13中HF以Al-T

表4.Al-ZnO-ML吸附HF模型几何优化后的结构参数

在Al-T

在Al-T

Al-T

对HF以上述四种吸附方式吸附在Al-ZnO-ML模型的键布居进行计算，获得体系中的成键情况。Al-T

步骤15，计算Al-ZnO-ML吸附HF模型体系中每一种结构的吸附能E

15.1)通过如下公式计算每一种结构的吸附能E

E

其中，E

15.2)通过测量得到吸附高度D

对步骤13得到的Al-ZnO-ML吸附HF模型体系中的四种结构进行15.1)-15.2)计算，得到的吸附能E

表5.Al-ZnO-ML吸附HF分子的吸附能E

从表5可以看出，Al-T

步骤16，计算Al-ZnO-ML吸附HF模型体系中四种结构的能带结构和态密度。

16.1)对步骤13得到的以Al-T

图14(a)为HF以Al-T

图14(b)为HF以Al-P(F)-T

图14(c)为HF以Al-T

图14(d)为HF以Al-T

从图14中Al-T

16.2)对步骤13得到的以Al-T

图15(a)为HF以Al-T

图15(b)为HF以Al-P(F)-T

图15(c)为HF以Al-T

图15(d)为HF以Al-T

从图15(a)-15(c)可以看出，Al-T

16.3)对HF以上述四种吸附方式吸附在Al-ZnO-ML上，且经过几何优化后的结构模型中HF分子在费米能级附近的态密度进行计算，并绘制相应的态密度图，如图16所示，其中：

图16(a)为HF以Al-T

图16(b)为HF以Al-P(F)-T

图16(c)为HF以Al-T

图16(d)为HF以Al-T

从图16可以看出四种吸附模型中，HF分子在费米能级处都有贡献，HF分子与Al-2s发生了轨道杂化。图16(a)-16(c)Al-T

综合步骤14-16，相较于HF吸附在本征ZnO-ML上，HF吸附在Al-ZnO-ML表面具有更低的吸附能和更小的吸附高度，衬底表面也出现更为明显的结构形变，掺杂Al原子后吸附HF分子的稳定结构与衬底成键，这些结果均表明HF分子与Al-ZnO-ML表面存在较强的相互作用，因而Al-ZnO-ML有望成为一种检测HF气体的理想材料。

步骤17，对本征ZnO-ML吸附HF模型体系和Al-ZnO-ML吸附HF模型体系中各自最稳定的结构进密立根电荷布居及差分电荷密度Δρ的计算，获得HF吸附性能的预测结果。

17.1)通过步骤8和步骤13，得到本征ZnO-ML吸附HF模型体系中最稳定的结构为T

表6.密立根电荷布居

表6中ΔQ表征的是原子得失电子的能力，正值表示得到电子，负值表示失去电子。Q的数值表征的是HF分子与衬底之间的电荷转移，负值表明在整个吸附体系中HF获得电子，ZnO-ML失去电子；正值表示HF失去电子，ZnO-ML获得电子。ZnO-ML与HF分子间电荷转移的绝对值越大，表明它们之间的吸附作用越强。从表6可以看出，Zn和H易失去电子，O和F易得到电子。在T

17.2)为了更清晰的了解HF分子与ZnO-ML衬底之间的相互作用，分别计算17.1)中两种吸附HF模型体系中各自最稳定的结构的差分电荷密度Δρ，用来分析体系的电荷转移情况：

差分电荷密度Δρ的计算公式为：

Δρ＝ρ

其中ρ

该差分电荷密度Δρ通过差分电荷密度图来体现，其中区域1表明电子密度是增加的，区域2表示电子密度是减少的。

计算得到本征ZnO-ML吸附HF模型体系中最稳定的结构T

从图17可以看出，本征ZnO-ML和HF分子之间没有电荷交叠，由此表明HF分子与ZnO-ML表面的吸附为弱物理吸附。

从图18可以看出，HF分子与Al-ZnO-ML衬底之间有明显的电荷交叠，说明HF分子与Al掺杂的ZnO-ML之间的相互作用要比HF吸附在本征ZnO-ML上强得多，表明HF与Al-ZnO-ML之间的吸附是化学吸附。电荷密度变化主要集中在金属Al原子和HF分子以及HF分子和它所接触的衬底表面区域。

综上所述，HF在Al-ZnO-ML上吸附时具有更小的吸附能，更小的吸附高度，以及更多的电荷转移数，表明HF吸附在Al-ZnO-ML上时是化学吸附，而在本征ZnO-ML上是弱物理吸附，Al-ZnO-ML对HF的吸附更为敏感。

与之前研究的用石墨烯单层吸附HF相比，HF吸附在本征ZnO-ML上的吸附能-0.52eV比其吸附在本征石墨烯上时的吸附能-0.074eV更小，电荷转移数也更多，因此ZnO-ML是一种很有潜力的HF捕获和分离材料。比较HF吸附在掺Al的ZnO-ML上的电荷转移数和HF吸附在掺Al的石墨烯上的电荷转移数可知，掺Al的ZnO-ML与HF分子之间的电荷转移数0.31e远远大于掺Al的石墨烯与HF分子之间的电荷转移数0.024e，Al-ZnO-ML对HF分子的吸附性能具有更明显的提升。

本实例通过上述仿真得到的最终预测结果是：Al掺杂的ZnO单层Al-ZnO-ML比本征ZnO单层ZnO-ML对HF分子的吸附效果更明显，因此可将掺杂Al原子的ZnO单层用于对HF这种有毒气体进行探测，即设计基于掺杂Al原子单层ZnO的HF气体探测器，对HF这种有毒气体进行有效的监测和检测，从而减少环境污染和保护人体健康。