دراسة تأثير الغازات السامة على الخصائص التركيبية، الالكترونيه والطيفية للفسفورين أحادي الطبقة المطعَّم بـ (B, Al) باستخدام نظرية الدالة الوظيفية للكثافة

رسالة ماجستير

اسم الباحث : مصطفى رحمان محمد

اسم المشرف : أ. د. رجاء خضر محمد اليساري

الكلمات المفتاحية :

الكلية : كلية العلوم

الاختصاص : علوم الفيزياء

سنة نشر البحث : 2025

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث


تضمنت هذه الدراسة النظرية إمكانية تصميم مستشعر غازي قائم على الفسفورين لتعزيز خصائص الاستشعار للغازات السامة (CO و H₂S و NO) الممتزة على سطح الفسفورين النقية والمطعّم باستخدام نظرية الدالة الوظيفية للكثافة DFT في الحالات الأرضية، بينما تم استخدام نظرية الدالة الوظيفية للكثافة المعتمدة على الزمن TD-DFT في الحالات المتهيجة. بالإضافة إلى ذلك، أجريت هذه الدراسة باستخدام الدالة الهجينة B3LYP ومجموعة الأساس 6-31G. كما تم استخدام ذرات B و Al كشوائب يمكن استبدالها بذرة فسفور واحدة في البنية النانوية للفسفورين أحادي الطبقة لدراسة تأثير الغازات السامة.
في هذا العمل، تمت دراسة الخصائص التركيبية، الإلكترونية والطيفية بإجراء التحسين الهندسي على الفسفورين أحادي الطبقة النقي والمطعّم باستخدام طريقة DFT لحساب الخصائص التركيبية المتضمنة أطوال الاواصر، أطوال الزوايا والزوايا ثنائية السطوح؛ بينما الخصائص الالكترونية تضمنت حساب الألفة الإلكترونية، جهد التأين، فجوة الطاقة، طاقة الامتزاز والحساسية. لكن طريقةTD-DFT استُخدِمَت لحساب الخصائص الطيفية التي تضمنت حسابات طيف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية UV-Vis.
عند اجراء التحسين الهندسي على تراكيب الفسفورين النانوية، كان الفسفورين المطعّم بالألمنيوم (AlP₁₅) الأكثر استقرارا مقارنة مع الفسفورين النقي (P₁₅) والفسفورين المطعّم بالبورون (BP₁₅) اللذين أظهرا اختلافا واضحا عن تركيبهما الاصلي. علاوة على ذلك فإن اجراء التحسين الهندسي على المتحسس النانوي CO/AlP₁₅)) لم يظهر اختلافا واضحا عن تركيبه الأصلي قبل التحسين، في حين أن اجراء التحسين الهندسي على المتحسسات الاخرى اضهر تأثيرا واضحا عند امتزاز جزيئات الغاز السامة على سطحها.
قلّت فجوة الطاقة لتراكيب الفسفورين المطعّم بالبورون (BP₁₅) والفسفورين المطعّم بالألمنيوم (AlP₁₅) من 1.73eV للفسفورين النقي (P₁₅) إلى 0.92eV و 1.66eV على التوالي. من ناحية أخرى، عند امتزاز غاز NO على سطح التراكيب النانوية (P₁₅ و BP₁₅ AlP₁₅,)، كانت أعلى مساهمة تم تحليلها لمستويات الطاقة HOMO-LUMO في حالة المتحسس NO/BP₁₅ عند فجوة طاقة تصل إلى 2.41eV، بينما كانت أصغر مساهمة في حالة المتحسس NO/AlP₁₅ عند فجوة طاقة تصل إلى 1eV؛ في حين عند امتزاز غاز CO على سطح تلك التراكيب النانوية، كانت أعلى مساهمة لمستويات الطاقة في حالة المتحسس CO/AlP₁₅ عند فجوة طاقة تصل إلى 1.57eV، بينما كانت أصغر مساهمة في حالة المتحسس CO/BP₁₅ عند 1.19eV؛ ايضا عند امتزاز غاز H₂S على سطحها، كانت أعلى مساهمة لمستويات الطاقة في حالة المتحسس /AlP₁₅H₂S عند فجوة طاقة تصل إلى 1.733eV، بينما كانت أصغر مساهمة في حالة المتحسس /P₁₅H₂S عند .1.25eV
بالتالي ، تشير فجوة الطاقة المحسوبة للفسفورين النقي والمطعّم باعتبار ان NO/BP₁₅, BP₁₅ H₂S/و NO/AlP₁₅ كأجهزة استشعار نانوية محتملة. وهذا بدوره يدعم بقوة اختيار (BP₁₅) كمستشعر نانوي فائق الحساسية لجزيئات NO بحساسية تصل إلى 162٪ ومستشعر نانوي عالي الحساسية لجزيئات H₂S بحساسية تصل إلى 79٪ ، في حين تم اختيار (AlP₁₅) كمستشعر نانوي مقبول لجزيئات NO بحساسية تصل إلى 40٪. اعتمادا على جزيئات الغاز المدروسة، تظهر حسابات طيف UV-Vis لمستشعرات الغاز القائمة على الفسفورين انزياحا نحو طيف الأشعة تحت الحمراء (N-IR و M-IR) بنطاق طول موجي يتراوح بين 2174 نانومتر (NO/BP₁₅) إلى 9400 نانومتر (CO/P₁₅).

Study of the Effect of Toxic Gases on Structural, Electronic and Spectral Properties of Phosphorene Monolayer Doped by (B, Al) Using Density Functional Theory

Abstract
This theoretical study included the possibility of designing a gas sensor based on phosphorene to enhance the sensing properties of the toxic gases (CO, H2S, and NO) adsorbed on the surface of pure and doped phosphorene, employing density functional theory DFT for the ground states and time-dependent density functional theory TD-DFT for the excited states. Additionally, this study was conducted using the hybrid functional B3LYP and basis set 6-31G. Also used B and Al atoms as impurities through-replaced by a single phosphorus atom in the monolayer phosphorene nanostructure to study the effect of these toxic gases.
In this work, the structural and electronic and spectral properties were studied by performing geometry optimization of pure and doped monolayer phosphorene using DFT method to calculate the structural properties that included bond lengths, bond angles and dihedral angles; while the electronic properties included calculation of electron affinity, ionization potential, energy gap, adsorption energy and sensitivity. But TD-DFT method used to calculate the spectral properties included the calculations of the UV-Vis spectrum.
When performing geometry optimization on phosphorene nanostructures, Al-doped phosphorene (AlP₁₅) was the most stable, as compared with pure phosphorene (P₁₅) and B-doped phosphorene (BP₁₅), which showed a marked difference from their original structure. Furthermore, the geometry optimization procedure on the (CO/AlP₁₅) nanosensor did not show clear differences from its original structure before optimization, whereas the geometry optimization on other nanosensors showed a clear effect when the toxic gas molecules were adsorbed on their surface.
The energy gap for the B-doped phosphorene (BP₁₅) and Al-doped phosphorene (AlP₁₅) structure was decreased from 1.73 eV for pure phosphorene (P₁₅) to 0.92 eV, and 1.66 eV respectively. On the other hand, when NO gas is adsorbed on the surface of (P₁₅, BP₁₅ and AlP₁₅) nanostructures, the highest analyzed contribution of HOMO-LUMO energy levels was in the case of the NO/BP₁₅ sensor at an energy gap of 2.41eV, while the smallest contribution was in the case of the NO/AlP₁₅ sensor at 1eV; whereas when CO gas is adsorbed on the surface of these nanostructures, the highest contribution of energy levels was in the case of the CO/AlP₁₅ sensor at an energy gap of 1.57eV, while the smallest contribution was in the case of the CO/BP₁₅ sensor at 1.19eV; also when H₂S gas is adsorbed on a its surface, the highest contribution of energy levels in the case of the H₂S/AlP₁₅ was at an energy gap of 1.733eV, while the smallest contribution in the case of H₂S/P₁₅ at 1.25eV.
Thus, the calculated energy gap of a pure and doped phosphorene indicates that the NO/BP₁₅, H2S/BP₁₅ and NO/AlP₁₅ as potential nanosensors. This, in turn, strongly supports the choice of (BP₁₅) as a superior sensitive nanosensor for NO molecules, with a sensitivity reaching 162% and it is a highly sensitive nanosensor for H₂S molecules, with a sensitivity reaching 79%, while the choice of (AlP₁₅) is an acceptable nanosensor for NO gas molecules with a sensitivity reaching 40%. Depending on the gas molecules studied, UV-Vis spectrum calculations of the gas sensors based on phosphorene show a shift toward the IR spectrum (N-IR, and M-IR) with a wavelength range between 2,174nm (NO/BP₁₅) to 9400nm (CO/P₁₅).