蛋托型石墨烯的结构和柔韧性的模拟研究

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石墨烯是一种有望应用于柔性电子技术的重要材料。然而,在合成与应用石墨烯的过程中往往会随机地、不可控地产生大量的本征缺陷和掺杂,并且由于碳碳共价键的旋转、缺失和重排,以及含氧官能团、掺杂和晶界结构的引入,形成一系列的具有褶皱形貌的功能化石墨烯及同素异形体。此外,这些非六元碳环和掺杂的引入还可以显著地影响石墨烯的形貌、厚度和性质,尤其是可以打开限制其在柔性电子领域应用的零带隙。同时,厚度通常也被认为是决定二维材料柔韧性的关键参数之一。而且结构相似的蛋托型石墨烯模型还为单独地探究其弯曲模量和厚度间的关系提供了可能性。因此,可以对蛋托型石墨烯进行结构调整和掺杂,探究构型、厚度、曲率、掺杂等因素对材料柔韧性以及电学和光学性质的影响,并且加以调控。本论文采用基于密度泛函理论的计算软件,构建了一系列结构相似、厚度不同的蛋托型石墨烯构型,并且分别确定氮和硼的单原子掺杂、双原子掺杂、共掺杂的最佳位点,从而探究其弯曲模量对结构、厚度、曲率和掺杂的依赖关系,以及非六元碳环和掺杂对其电学和光学性质的影响。计算结果表明,蛋托型石墨烯的弯曲模量由结构、厚度、曲率等因素共同决定。并且消除结构和曲率等因素影响后,其弯曲模量和厚度间呈现简单的线性关系,其决定系数(r~2)可达0.986;并且其线性关系不受曲率、计算方法和参数等影响,r~2始终保持在0.984以上,甚至可达0.995,具有较强的稳定性。同时,多电子的氮原子更为适宜掺杂在缺失一个碳原子的五元碳环中,同样的,少电子的硼原子则更为适宜掺杂在七元碳环中,并且二者更倾向于相邻成键,两个相同的杂原子则会尽可能地远离彼此。除硼氮共掺杂几乎不影响其厚度和弯曲模量外,掺氮和掺硼几乎均会同时降低其厚度和弯曲模量。单个氮原子可以将t1-4构型的厚度由2.517降低至2.382(?),其弯曲模量由12.086降低至11.505 eV;单个硼原子也可以将t1-4构型的厚度和弯曲模量分别降低至2.311(?)和9.785 eV。但是消除结构和曲率等差异影响后,掺杂蛋托型石墨烯的弯曲模量仍然主要由厚度决定,并且随其线性增长,r~2也始终保持在0.99附近。最后,在电学性质方面,由于非六元碳环破坏了完美石墨烯结构中的大π键,因此蛋托型石墨烯通常具有一定的随构型呈现震荡趋势的带隙(可达600 meV),t2构型呈现半导体性,带隙为0.29 eV,而t2-2构型则呈现金属性,并且氮掺杂也可以消除该带隙。同时,掺氮和掺硼会引起蛋托型石墨烯的光吸收峰的蓝移和红移(分别约为0.3和0.2 eV),从而实现光学检测。
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