氣體傳感是航空航天、軍事、醫療以及工業環境等應用的一個重要研究領域，它有助于預防有毒有害氣體對人類健康和環境造成的風險。在家庭和工業環境中，丙烷和丁烷通常被用作燃料，是有毒且易燃氣體，這種氣體通常需要有效檢測以避免泄漏或引發爆炸事故。為了解決這一問題，研究人員正在開發具有低功耗、低工作溫度的基于納米材料的氣體傳感器。

據麥姆斯咨詢報道，近日，阿聯酋大學（United Arab Emirates University）與艾因大學（Al Ain University）組成的科研團隊在Scientific Reports期刊上發表了以“Detection of butane and propane gases via C?N sensors: first principles modeling”為主題的論文。該論文的第一作者為Asma Wasfi，通訊作者為Falah Awwad。

這項研究工作對利用C?N識別丙烷和丁烷的氣體傳感器的開發和表征開展了全面研究。該研究工作首先介紹了傳感器的設計和構造，概述了為提高其性能而做出的設計修改。隨后，詳細描述了所采用的計算方法，即使用Quantumwise Atomistix Toolkit（ATK）進行第一性原理模擬，以闡明C?N傳感器的電子輸運特性。本文介紹了C?N傳感器在氣體傳感技術方面取得的進展，并強調了其在小尺寸、低成本氣體傳感應用中的前景。

圖1展示了所采用的納米級傳感器的構造。C?N系統主要包含C?N電極和由單層C?N組成的C?N中心區域，不包含柵極。圖2顯示了目標分子丁烷（如圖2a）和丙烷（如圖2b）的原子結構，突出了它們獨特的化學和電子組成。

圖1 由QuantumATK模擬的基于C?N的器件

圖2 兩種目標分子的原子結構

圖3描繪了含有丁烷分子的C?N傳感器結構。圖1通道內突出的空心位點代表了目標分子最穩定的吸附位點，因為它可以有效吸附每個氣體分子。

圖3 帶有丁烷分子的C?N傳感器示意圖

隨后，為了增強圖1所示C?N器件的性能，將C?N電極替換為金（Au）電極，并在通道下方放置柵極端子，形成基于C?N的場效應晶體管（如圖4所示），可用于檢測丙烷和丁烷氣體分子。所構建的傳感器包括兩個金電極、形成通道的單層C?N以及柵極端子。

圖4 增強型C?N傳感器示意圖
（黃色- Au元素、灰色-C元素、藍色-N元素、白色-氫元素）

接著，為了分析該傳感器的電子輸運特性，研究人員對裸C?N器件（如圖1）和C?N晶體管（如圖4）攜帶每種目標氣體分子時的電子電流、狀態密度和透射譜等因素進行了詳細探究。對該傳感器的研究采用了第一性原理建模技術進行精確模擬。

綜上所述，這項研究設計了一種新型且經濟型的二維氮化多孔石墨烯納米帶傳感器，用于檢測家庭環境的氣體泄漏，對現有領域有著重大貢獻。該研究介紹了C?N傳感器在丁烷和丙烷氣體檢測中的應用。通過將電極替換為金電極并增加柵極端子，大大增強了該傳感器的性能，從而提高了其靈敏度和精確檢測能力。研究結果表明，所提出的C?N傳感器是一種經濟且高效的氣體傳感解決方案。檢測常用燃料丙烷和丁烷氣體的能力，對于在家庭和工業環境中預防泄漏和爆炸事故具有重要意義。

審核編輯：彭菁