基于第一性原理的石墨烯光热性能研究

基于第一性原理的石墨烯光热性能研究

石墨烯作为一种新型二维材料，自2004年首次被成功制备以来，因其独特的物理和化学性质而备受关注。本文采用第一性原理计算方法，深入研究了石墨烯的光学和热力学性能，揭示了其在光电、热管理等领域的潜在应用价值。

研究背景

石墨烯具有优异的物理和化学性质，自2004年首次被成功制备以来，已在光学、热学及电子等领域展现出巨大的应用潜力。其独特的电子结构和高表面积，使其在传感器、光电子器件和热管理材料等方面具有重要应用价值。

在光学性能方面，石墨烯具有良好的透明性和高的光吸收能力。在热学性能方面，石墨烯的导热性也引起了广泛关注。基于第一性原理的计算方法为理解石墨烯的光学和热学性能提供了重要的理论支持。

模型建立

基于密度泛函理论（DFT），采用Materials Studio 6.0软件的CASTEP模块进行计算，光源为514.5 nm激光。通过收敛性测试，确定截断能为680 eV，k网格选取为7 × 7 × 2，总能量收敛精度为1.0 × 10−5eV/atom，原子最大位移收敛标准为0.001 Å。每个原子上的受力均小于0.03 eV/nm，内应力收敛精度为0.005 GPa。

石墨烯优化后的C-C键长为1.428 Å，该结果与相关计算结果相近，表明本文优化后的键长以及后续计算结果具有一定的参考性。

图1. 石墨烯形态对比：(a) 优化前；(b) 优化后

光学性质分析

反射率分析

石墨烯的反射率随能量变化呈现出特定的峰值分布，显示出对不同能量光的选择性反射特性。这种特性使得石墨烯在光电器件、涂层和滤波器等光应用中具有潜在的应用前景。

图2. 石墨烯的反射率随能量变化曲线

吸收率分析

石墨烯在不同能量的光子下表现出特定的吸收特性，尤其在低能区和中等能区的吸收较为显著。这些吸收特性使得石墨烯在光电子器件、紫外吸收材料以及光探测器中具有潜在的应用价值。

图3. 石墨烯的吸收率随能量变化曲线

折射率和消光系数分析

石墨烯的折射率和消光系数随能量变化呈现出特定的趋势，反映了其在不同光能量下的折射和吸收特性。这些特性使得石墨烯在光学器件中具有重要应用前景，尤其是在光电吸收、滤波和调制器件中。

图4. 石墨烯的折射率和消光系数随能量变化曲线

介电常数分析

石墨烯的介电函数实部和虚部随光子能量变化的特性揭示了其在不同能量范围内的极化和吸收能力。低能量区的高极化和强吸收表明石墨烯在可见光和紫外光区有显著的光学响应，而高能区的稳定表现则使其在特定高能应用中保持光学透明性。

图5. 石墨烯介电常数随能量变化曲线

热力学性质分析

焓、自由能和熵分析

随着温度的升高，焓逐渐增加，T × 熵随温度的增加呈显著上升趋势，自由能随着温度升高而逐渐降低，并在高温时变为负值。这说明高温下石墨烯的稳定性增强。

图6. 焓(Enthalpy)、自由能(Free Energy)和T × 熵(T × S)随温度变化曲线

比热容分析

石墨烯的比热容随温度变化的关系表明，在低温区域比热容随着温度的升高迅速增加；在中温区，比热容的增加速度有所减缓；在高温区，比热容逐渐接近一个稳定值。

图7. 石墨烯的比热容随温度变化曲线

德拜温度分析

德拜温度是衡量材料声子特性的关键参数。在低温下德拜温度迅速上升；在中温区，德拜温度的上升趋于缓慢；在高温范围内，德拜温度基本趋于恒定值。

图8. 石墨烯的德拜温度随温度的变化曲线

结论

石墨烯在中低能区域展现出的吸收特性，以及对可见光和紫外光区显著的光学响应，在高能区保持着光学透明性，这些特性为石墨烯在光电、光学滤波和光学调制等应用中提供了重要的材料特性依据。石墨烯的高德拜温度及其在高温下仍能保持良好的导热特性，使其在热管理和高温应用中具有重要的应用潜力。

本文原文来自hanspub.org