石墨烯衍生物的柔性和弯曲下的光学性质研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hudongfei
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随着柔性电子技术的不断发展,越来越多的柔性电子器件涌入了人们的生产生活中。柔性电子器件有着独特的延展性,且制造工艺高效、成本低,因此在柔性显示器、能源储存、医疗等领域应用前景广泛。近年来,涌现出了许多新型柔性导电材料,如金属纳米线、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等。其中石墨烯作为一种柔韧性很好的材料,广泛应用于多种领域,比如能源、电子、医药等。通常采用化学气相沉积的方法来制备石墨烯,但是在制备过程中,不可避免的会产生缺陷,比如空位缺陷、线缺陷、五-七环缺陷等。缺陷会影响石墨烯的力学性质,如五-七环缺陷可以增强或削弱石墨烯的面内强度,那么包含五-七环的石墨烯同素异形体的面外强度(弯曲模量)会如何变化呢?另外,对于氧化石墨烯柔性电子材料,可以通过官能团的类型和覆盖度来调控其柔性和导电性,那么在弯曲作用下,氧化石墨烯的透光性会如何变化呢?本文采用第一性原理方法,开展了两个工作。第一个工作是通过计算弯曲模量证明了含有五-七环的平面石墨烯同素异形体的超柔性,而且平面石墨烯同素异形体的弯曲模量与其结构和弯曲方向密切相关。与完美的石墨烯相比,平面石墨烯同素异形体中的五-七环会改变碳-碳键长,碳原子面密度以及碳原子的几何贡献,因此会使平面石墨烯同素异形体的弯曲模量比石墨烯的更小,表现出更好的柔韧性。研究表明,平均碳-碳键长越长,碳原子面密度和六元环的几何贡献越小,结构的弯曲模量越小。弯曲方向不同,弯曲模量不同,这体现了平面石墨烯同素异形体的力学各向异性。我们的计算不仅为研究平面石墨烯同素异形体的弯曲模量提供了一种可行的办法,也为设计高性能的柔性电子器件提供了重要的参考。第二个工作是通过计算三种氧化石墨烯结构模型在不同曲率下的光吸收系数、折射系数、反射率以及透光率,研究了官能团和弯曲对氧化石墨烯光学性质的影响。结果表明弯曲作用和氢键转变均会影响吸收峰、折射峰和反射峰。特别的是,氢键转变为共价键后会在5 eV处出现新的吸收峰。弯曲作用会使透光率较小,且氢键转变为共价键会使透光率减小的更快。然而,弯曲下三种氧化石墨烯结构在550 nm处的透光率都在92%以上,体现了弯曲形变下氧化石墨烯的高透光率。这些结果为判断氧化石墨烯中的键合类型和氧化石墨烯在柔性透明器件中的应用提供了理论支持。
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