论文部分内容阅读
石墨烯（Graphene）自从被成功制备出以来，因为其拥有优越的性能和广阔的应用前景从而引起了广泛的研究，为了更好地拓展石墨烯的应用，在室温下调控石墨烯的带隙是非常必要的。石墨烷和单层的氮化硼（BN）与石墨烯有着相似的晶格常数，他们都是宽带隙的半导体，当他们与石墨烯构成的复合系统如石墨烯/石墨烷超晶格（GG’SLs）和石墨烯/BN超晶格(GBNSLS)都可以有效的调控体系的带隙。制备混合体系超晶格是一种非常有效的方法调控本征石墨烯的光电子性质，为了进一步拓展该类材料的应用，本文系统的考察了锯齿形GG’SLs和GBNSLS的光学特征及在该系统中表现出的光学各向异性，并取得了以下几个结论： （1）吉布斯自由能的计算结果显示随着超晶格宽度的增加，吉布斯自由能在降低，结构越来越稳定，对于固定整个超晶格宽度为14条链的情况，我们发现随着石墨烷的宽度增加越结构变得更加稳定。GG’SLs超晶格结构，光学介电常数结果显示：在高能量窗口，在E//Z这个方向有两个非常明显的峰值，分别在7.0 eV和13.0 eV附近对应着σ-π*的跃迁，在E//X和E//Y两个方向都有一个明显的峰值出现在大约11.0 eV附近对应于σ-σ*的跃迁，随着超晶格宽度的增加以上所有的峰值都慢慢往低能量方向移动。在低能量窗口，在E//X和E//Y两个方向有很明显的光学各项异性，对于E//X和E//Y这个两个方向的全部峰值都对应着π-π*跃迁。在介电常数的基础上用一个单位的入射光子能量通过经典的电磁波理论，计算得到了所有GG’SLs超晶格的吸收率、透射率、反射率以及极化率，结果表明，在低能量窗口表现出了两步吸收，首先出现X方向的吸收，随后再出现Y反向的吸收，对于所有的超晶格系统，吸收在两个方向上都比较弱，低于3％。对于所有的超晶格结构透射非常的强，基本都超过了95％，透射极化率都低于1％。虽然对所有的超晶格系统反射非常的低，大概在1％左右，但是非常有趣的是反射极化率非常的高，超过了80％，甚至达到了100％，该结果表明该类超晶格是制备高极化弱光子源的优选材料。 （2）我们计算了石墨烯和氮化硼超晶格（GBNSLs）系统的吉布斯自由能，能带和分态密度等电子结构性质。从吉布斯自由能结果来看除了1Gr-1BN，1Gr-1BN-1Gr-1NB的吉布斯自由能相对较大，随着超晶格宽度的增加吉布斯自由能在降低，且非对称体系的吉布斯自由能比对称系统的要低。能带结果显示，所有超晶格的带隙都低于1.60eV。对所有的GBNSLs结构，我们计算的光学介电常数结果表明，无论在E//X(E//Y)和E//Z，还是E//X和E//Y都表现出了很明显的光学各项异性。对拥有对称结构的iGr–jBN-iGr-jNB体系，当石墨烯和BN的宽度为奇数和偶数时，它们的光学性质是完全不同的。在高能量窗口，E//Z这个方向有两个明显的峰值位对应着σ-π*的跃迁。在E//X和 E//Y两个方向一个明显的峰，对应着σ-σ*跃迁。在低能量窗口，所有的峰值对应着π-π*的跃迁。当一个单位的入射光子垂直于CBNSLs平面时，在低能量窗口区间吸收在X和Y两个方向是不同的，尤其是超晶格宽度为奇数时两步吸收表现的更加明显。我们的计算结果显示反射率非常的低，但是反射极化率非常的高，几乎可以达到100％。CBNSLs拥有超高的反射极化率，说明这一类超晶格材料有望作为一种很有效的弱光子发射源。