【摘 要】
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由于石墨烯的单层平面结构和它独特的化学和物理特性,石墨烯目前被认为是复合材料的理想增强相。石墨烯作为银基钎料的增强相,能够减小钎料和基体之间的接触角、降低热膨胀系数和细化微观结构,从而增强钎料强度。石墨烯在银基钎料中均匀分布以及降低钎料与石墨烯之间热膨胀系数差异从而改善石墨烯与钎料之间的吸附性能是至关重要的,因此本文在密度泛函理论的基础上采用第一性原理计算方法,在Materials Studio软
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由于石墨烯的单层平面结构和它独特的化学和物理特性,石墨烯目前被认为是复合材料的理想增强相。石墨烯作为银基钎料的增强相,能够减小钎料和基体之间的接触角、降低热膨胀系数和细化微观结构,从而增强钎料强度。石墨烯在银基钎料中均匀分布以及降低钎料与石墨烯之间热膨胀系数差异从而改善石墨烯与钎料之间的吸附性能是至关重要的,因此本文在密度泛函理论的基础上采用第一性原理计算方法,在Materials Studio软件包的支持下,研究了石墨烯中掺杂稀土元素铈、钨以及铈钨共掺杂对石墨烯与银之间吸附性能的影响,考察了银在元素掺杂石墨烯上的吸附行为对体系的电子特性以及吸附性能的影响,取得的主要成果如下:(1)采用第一性原理的方法研究了 Ag吸附于本征态石墨烯表面的吸附行为。分别研究了3种吸附体系(顶、穴和桥)的吸附性质和能带结构、电荷态密度以及差分电荷密度。研究发现,Ag吸附于石墨烯上的3种高对称吸附位点的吸附行为和结构变化存在相似性。由于本征态石墨烯中没有掺杂其他原子,未破坏碳原子网格平衡,使得银在不同高对称位点的吸附行为对能带结构的带来的变化甚微,因此不同吸附位点对系统能带结构的改变可以忽略。Ag和石墨烯之间的成键类型为物理吸附。综合电荷转移和吸附能来看,Ag在本征态石墨烯T位吸附的吸附能绝对值最大,电荷转移量相对其他两种吸附结构较多,因此,相较于其他两种吸附位点,Ag在石墨烯T位吸附的几何构型是最稳定的且吸附作用最强。(2)为改善石墨烯与银之间较弱吸附产生的石墨烯团聚现象,我们通过掺杂合金元素的方式来改善石墨烯对银基钎料的吸附作用,我们研究了铈掺杂的石墨烯(Ce-Gra)和钨掺杂的石墨烯体系(W-Gra)对Ag在石墨烯平面上吸附行为的影响,以及计算了差分电荷密度分布、能带结构和态密度等。计算结果说明在铈T位点吸附时,吸附高度最小,吸附能绝对值最大,电荷转移量最多,说明Ag在Ce-Gra的T位点吸附更加稳定。通过研究吸附体系的能带结构和态密度后,发现Ag与Ce-Gra之间的吸附类型为化学吸附,掺杂类型为n型掺杂。同样地,对于W-Gra体系,我们研究了 3种高对称吸附位,发现Ag与W-Gra之间的吸附类型为化学吸附,掺杂类型是p型,且B位点是结构最为稳定、吸附作用最强的吸附位置。(3)研究铈钨共掺杂对Ag在石墨烯体系表面存在的4种吸附位点的吸附行为的影响,研究了共掺体系的微观结构、吸附能、能带以及差分电荷密度差等的性质。研究发现4种吸附类型中的Ag均在优化后靠近石墨烯,产生化学吸附,掺杂类型为n型。其中W顶位的吸附能绝对值大于Ce顶位的吸附能,且W顶位吸附体系中邻近费米能级处产生了新的尖峰,由于掺杂引入的杂质能级相较于其他吸附体系更加靠近费米能级,因此共掺杂体系在W顶位吸附Ag后吸附性能优于其他吸附位。单原子或双原子共掺杂石墨烯吸附银的研究结果表明,元素掺杂能够有效地改善石墨烯与银基钎料之间的吸附性能,且使得石墨烯在银基钎料之间分布更加均匀,很大程度上提升了石墨烯在银基钎料中的强化效果。
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