【摘 要】
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石墨烯凭借优异的性能在储能、环境、纺织等领域有着广阔的应用前景。本文基于密度泛函理论,通过在石墨烯中引入锆（Zr）、硼（B）、氮（N）原子分别构建了Zr掺杂石墨烯（Zr-G）、B掺杂石墨烯（B-G）、N掺杂石墨烯（N-G）、以及N/Zr、B/Zr共掺杂石墨烯模型,几何优化后得到稳定的掺杂石墨烯结构。研究了B、N、Zr单原子改性石墨烯的电学性质和光学性质,探索了B/Zr、N/Zr共掺杂体系中原子掺杂
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石墨烯凭借优异的性能在储能、环境、纺织等领域有着广阔的应用前景。本文基于密度泛函理论,通过在石墨烯中引入锆（Zr）、硼（B）、氮（N）原子分别构建了Zr掺杂石墨烯（Zr-G）、B掺杂石墨烯（B-G）、N掺杂石墨烯（N-G）、以及N/Zr、B/Zr共掺杂石墨烯模型,几何优化后得到稳定的掺杂石墨烯结构。研究了B、N、Zr单原子改性石墨烯的电学性质和光学性质,探索了B/Zr、N/Zr共掺杂体系中原子掺杂的相对位置对石墨烯性质的影响,得到了如下结论:1.Zr-G是直接带隙p型半导体,带隙为0.313 eV。N-G和N/Zr-G邻位、间位、对位共掺杂均为n型半导体,带隙分别为0.148 eV、0.393 eV、0.141 eV、0.356 eV。B-G和B/Zr-G邻位、间位、对位共掺杂均为p型半导体,带隙分别为0.141 eV、0.264 eV,0.376 eV、0.280 eV。此外,在Zr-G中引入N原子后能带结构改变,由p型半导体转变为n型半导体。2.在平行极化条件下,Zr-G在7～9 eV范围内是透明的;在可见光范围内,Zr-G的吸收峰红移,吸收2.4 eV以下的可见光;在近红外范围内,Zr-G的吸收系数高于石墨烯（PG）。对于N/Zr和B/Zr共掺杂石墨烯体系,由于低能量范围内峰位红移,在0～1.64 eV范围内和近紫外区,N/Zr-G和B/Zr-G的吸收系数、折射率、反射率均高于PG,与Zr-G的光学性质一致。其中在近紫外区的3.5 eV附近,N/Zr-G邻位、间位、对位共掺杂的折射峰强度分别为1.67、1.62、1.65;B/Zr-G邻位、间位、对位共掺杂的折射峰强度分别为1.56、1.32、1.48,N/Zr、B/Zr共掺杂体系的折射峰强度均高于PG的0.79。在可见光范围,N/Zr-G和B/Zr-G的光学性质变化趋势不同于PG,其中B/Zr-G邻位共掺杂的反射率强度随着能量的增大从0.16减弱至0.05。在10～20 eV范围内,由于N/Zr和B/Zr共掺杂体系的反射率、吸收系数均弱于PG,因此其在该范围内的能量损失低于PG。3.在垂直极化条件下,Zr-G、N/Zr-G和B/Zr-G的反射峰和吸收峰强度均弱于PG。其中在14.8 eV附近,N/Zr-G邻位、间位、对位共掺杂的反射峰为0.12、0.10、0.10;B/Zr-G邻位、间位、对位共掺杂的反射峰均为0.07左右,B/Zr、N/Zr共掺杂体系的反射峰强度均弱于PG的0.15。此外在0～5 eV范围内Zr-G和B/Zr-G体系的吸收系数和反射率高于PG。
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