第1章  緒論/ 001
1.1氣體傳感器 / 003
1.2納米材料 / 006
1.3計算方法簡介 / 009
1.3.1 第一性原理計算 / 009
1.3.2 密度泛函理論 / 011
1.3.3 交換關聯能量泛函 / 012
1.3.4 Materials Studio程序包簡介 / 014
參考文獻 / 014

第2章  B40和M@B40（M=Li和Ba）富勒烯：檢測丙酮的潛在分子傳感器/ 017
2.1概述 / 019
2.2計算方法 / 020
2.3結果與討論 / 021
2.3.1 丙酮在純B40富勒烯上的吸附作用 / 021
2.3.2 丙酮在M@B40 (M=Li和Ba)金屬硼富勒烯上的吸附情況 / 027
參考文獻 / 033

第3章  氫化Si12Au20團簇：檢測NH3和NO的高性能分子傳感器/ 039
3.1概述 / 041
3.2計算方法 / 043
3.3結果與討論 / 044
3.3.1 分子在純Si12Au20團簇上的吸附 / 044
3.3.2 Si12Au20團簇作為檢測NO和NH3 的氣體傳感器的可能性 / 051
3.3.3 H12Si12Au20團簇的結構和穩定性 / 053
3.3.4 HSA作為NH3和NO檢測傳感器的應用 / 056
參考文獻 / 064

第4章  Zn12O12團簇組裝納米線：具有高靈敏度和選擇性的NO和NO2氣體傳感器/ 071
4.1概述 / 073
4.2計算方法 / 075
4.3結果與討論 / 076
4.3.1 基於Zn12O12團簇組裝的納米線 / 076
4.3.2 分子的吸附特性 / 080
4.3.3 Zn12O12基納米線作為氣體傳感器的可能性 / 086
參考文獻 / 089

第5章  基於W@Au12團簇的超細納米線：高性能NO氣體傳感器/ 097
5.1概述 / 099
5.2計算方法 / 101
5.3結果與討論 / 102
5.3.1 W@Au12 基納米線的結構和電子性能 / 102
5.3.2 分子在W@Au12基納米線上的吸附 / 106
參考文獻 / 113

第6章  類石墨烯GaN二維單層的氣敏性能研究/ 119
6.1概述 / 121
6.2計算方法 / 123
6.3結果與討論 / 123
6.3.1 PL-GaN二維單層的構型和穩定性 / 123
6.3.2 氣體分子在PL-GaN二維單層上的吸附作用 / 124
6.3.3 PL-GaN作為氣體傳感器的可能性 / 130
參考文獻 / 134

第7章  四角型GaN單層：檢測NO和NO2的潛在氣體傳感器/ 139
7.1概述 / 141
7.2計算方法及模型 / 142
7.3結果與討論 / 143
7.3.1 純T-GaN的結構和電子性質 / 143
7.3.2 T-GaN對NO2、NH3和NO的吸附作用 / 144
7.3.3 T-GaN作為氣體傳感器的可行性 / 149
參考文獻 / 152

第8章  C2N單層：檢測NH3和NO的氣體傳感器/ 157
8.1概述 / 159
8.2計算方法及模型 / 161
8.3結果與討論 / 162
8.3.1 C2N單層的分子吸附特性 / 162
8.3.2 C2N單層的氣敏性能分析 / 169
參考文獻 / 171

第9章  C3N單層的氣敏性能研究/ 177
9.1概述 / 179
9.2計算方法 / 180
9.3結果與討論 / 181
9.3.1 C3N單層的吸附特性和電子性質 / 181
9.3.2 C3N單層的氣敏性能 / 186
參考文獻 / 189

隨著國家工業能力的快速提升和人們生活水平的不斷提高,人們接觸或使用的氣體原料和氣體產物種類越來越多,由其帶來各種生產和生活便利的同時,也造成許多安全隱患。例如石油化工、采礦冶煉、工業生產、生活垃圾處理、裝飾裝修等常常伴隨著各種有毒有害氣體的產生,稍有不慎就會危害到人類健康與安全。故而,用來探測、檢測氣體的氣體傳感器愈來愈受到人們的重視。我國相關部門出臺的“十四五規劃” 《中國制造2025》《中國傳感器(技術、產業)發展藍皮書》等多項戰略性、指導性文件中均明確提出發展新型氣體傳感器,即開發成本和能耗更低、體積更小,並且具有更高靈敏度、優異選擇性和高穩定性的氣體傳感器。氣體傳感器的核心是氣敏材料,發展和設計新型氣體傳感器,其核心在於開發具有高靈敏度、優異選擇性、高穩定性及較快響應-恢復時間的氣敏材料。
低維納米材料是由很多原子或分子構成,結晶粒度為納米級(1～100nm)的一種具有全新結構的材料,即三維空間尺寸至少有一維處於納米量級,包括納米微粒和團簇(零維材料),直徑為納米量級的纖維、管、線(一維材料),厚度為納米量級的薄膜與多層膜(二維材料),以及基於上述低維材料所構成的致密或非致密固體。納米材料的尺度處於原子、分子和宏觀物體交界的過渡域,是介於宏觀物質與微觀原子或分子間的過渡亞穩態物質,它有著不同於傳統固體材料的顯著的表面與界面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應,並且表現出奇異的力學、電學、磁學、光學、熱學和化學等特性。尤其是,低維納米材料由於具有較大的表面積、較多的表面活性位以及較高的穩定性和機械可塑性等優點,使其在氣體傳感器領域具有較大的應用潛能。
本書共包括九章。第1章簡要介紹氣體傳感器的研究背景以及所用的理論基礎及方法,後續八章分別針對不同維度的納米材料的氣敏性能展開論述。第2章介紹B40 和M@B40 (M=Li和Ba)富勒烯作為檢測丙酮的氣體傳感器,第3章介紹氫化Si12Au20 團簇作為檢測NH3 和NO 的高性能分子傳感器,第4章介紹基於Zn12O12 團簇組裝納米線作為檢測NO 和NO2 的具有高靈敏度和選擇性的氣體傳感器,第5章介紹基於二十面體W@Au12 團簇的組裝超細納米線的設計及作為NO 氣體傳感器的應用,第6章和第7章分別介紹了兩種具有不同結構的二維GaN 單層在氣體傳感器方面的應用,第8章和第9章給出了兩種組分不同的碳-氮二維單層的氣敏性能研究。
本書的內容主要是基於作者近年來對低維納米材料(包括團簇、納米線和二維單層)的氣敏性能研究的基礎上撰寫的,同時吸收了國內外相關的研究成果。相關文獻已在每章後列出,在此對相關學者表示衷心感謝。本書的相關研究和分析工作得到了河南科技大學的大力支持,本書的出版得到了國家自然科學基金(編號:61774056)、河南科技大學博士科研啟動基金和河南科技大學校青年學術帶頭人基金的資助,在此深表感謝。
本書第1～4章由雍永亮負責編寫,第5～9章由李曉蕊負責編寫,全書由雍永亮統稿。
由於作者水平有限,書中難免存在不足和疏漏之處,希望廣大讀者、專家學者批評指正。

雍永亮