摘要
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0.313eV。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0.148eV、0.393eV、0.141eV、0.356eV。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0.141eV、0.264eV，0.376eV、0.280eV。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7~9eV范围内是透明的；在可见光范围内，Zr-G的吸收峰红移，吸收2.4eV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0~1.64eV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3.5eV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10~20eV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14.8eV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0~5eV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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