硅掺杂对石墨光性能影响的模拟研究*

2022-05-10李书婷

计算机与数字工程 2022年4期

李书婷

（商洛学院电子信息与电气工程学院商洛 726000）

1 引言

关于掺杂石墨材料的具体研究，现阶段主要存在于提高其的光电性能、导热性能、力学性能（韧度等）、抗氧化性能等方面。而石墨作为被掺杂的对象，那么掺杂物的种类、数量、存在方式等都会对掺杂过后的石墨材料特性产生不同的影响。这些材料直接影响石墨物质的微观结构、微观外貌、组织结构等［1］，就会对石墨材料的性能产生显著的影响。以下分别总结了几种主流的物质掺杂石墨的研究进程以及掺杂效果。

硼或硼化物掺杂石墨，硼与碳反应会生成碳化硼，其有催化石墨化的作用。由于硼原子与碳原子性质相差甚远，将硼原子掺杂进去后，会大大降低物质整体的导热系数［2］，增强了颗粒间的连接性以及材料整体的力学强度［3］，此外，极大地增强了碳材料的抗氧化能力［4］。Miyazaki团队［5］使用热压法完成了B4C与纯石墨的复合性材料。通过实验发现采用热压法制备的B4C在掺杂了纯石墨物质之后，其抗压与可弯曲能力都增强了许多，并且伴随着B4C材料浓度的提升还会不断的升高。李广田等［6］采用硼化物浸渍液（氧化硼）进行了护碳素物质的氧化实验：标准气压下，将这两种混合后的物质将氧化最低温度提高到了1173K，强度提升至56%，电阻率也略有降低。Zeng等用硼酸涂抹在石墨表层，发现750℃～900℃区间内氧化失重率显著下降，并且当增大温度时，这个值的变化非常小，趋于稳定。

钛掺杂石墨材料。钛会在1800℃～2000℃与碳材料发生反应从而生成碳化钛物质，增强了物质的石墨化度。碳化钛材料是具有金属特性的化合物，电阻率是0.6，给了钛材料掺杂石墨的导电性能启发［6］。邱海鹏［7］研究员使用热压工艺法制造不同浓度不同配比的钛掺杂结晶石墨物质，其热导率与抗弯强度有了很大的提升。张光晋等［8］研究了不相同的钛浓度的再结晶石墨有较低的电阻率。

硅掺杂石墨。碳化硅是半导体特性的物质，那么两者进行掺杂后必然会对材料的导电性能产生影响。邱海鹏［9］团队得出掺杂了硅的石墨的导热导电性能都有很明显的提升，但是材料的力学性能却是降低了。张光晋等也研究了硅掺杂石墨，他们发现当硅的浓度较高时，硅掺杂石墨物质的力学性能降低。张光晋等［8］制备了碳化硼、钛、硅三组元掺杂石墨物质和钛、硅双组元掺杂石墨物质得出，当硅的浓度较低时，掺杂石墨材料物质的导电性能和其的石墨化程度有了提升。

现阶段石墨的制备主要是通过更改原料的搭配度、大小、种类等因素改变石墨的微观组织结构以及改变煅烧温度、煅烧时间、成型方法等工艺因素［10～15］。此类方法存在效率低、后处理工艺繁琐、成本大等问题，制约了石墨应用的发展。所以，利用计算机软件从石墨的微观结构出发，将其它元素与石墨进行掺杂，通过理论计算分析掺杂对石墨性能改变是增强石墨材料的实际应用的可行途径。本文用软件对石墨微观结构掺杂不同个数硅原子并进行结构优化，通过计算分析了纯石墨及掺杂不同个数硅原子石墨的反射率和吸光系数，对比得出硅原子掺杂对石墨材料光性能的影响，为石墨性能的改善提供了理论依据。

2 研究工具及方法

使用计算机构建石墨微观模型，模拟计算石墨、掺杂了硅原子的石墨的微观结构，然后对微观结构进行优化，得到最优结构，最后计算以及分析得出最优化结构反射率、吸光系数曲线图，通过对比分析这些图最终得到掺硅原子对石墨光性能的影响。本文用来进行模拟计算最优石墨的微观结构以及掺杂1、3、6个硅原子的石墨的微观结构如图1所示。

3 计算结果及讨论

3.1 材料的反射率

纯石墨和分别掺杂1个、3个、6个Si原子的石墨材料的光反射率计算对比如图2。

图2 纯石墨和不同个数Si掺杂石墨反射率对比图

可以看出：石墨的反射率与波长有振荡关系，在波长为0～100nm时石墨的反射率在反复振荡，在波长超过100时反射率与波长的关系跨度增大，有越来越大趋势；掺杂一个硅原子的石墨反射率最高是0.5，0～100nm时振荡频繁，在170nm时到达最低点，之后不断走高，但不能确定反射率是否有超过0.55的趋势；掺杂三个硅原子的石墨与石墨和掺杂一个硅原子石墨的反射率有明显区别，前两者在0～100nm波长区间内震动反复且激烈，而掺杂三个硅原子的石墨显得“稳重”了许多，在400nm附近，反射率达到最高点；掺杂六个硅原子的反射系数最低，在0～800nm区间内最高值仅为0.45。

3.2 材料的反射率分析

通过对比反射率曲线得：在0～100nm区间内，纯净石墨与掺杂石墨材料的波峰波谷形状大体相同，其光反射率随着掺杂硅原子浓度的提升不断下降，但不能发现波峰波谷在波长方向上的偏移规律。纯净石墨对波长为145nm的光的光反射率几乎为0，而掺杂了硅原子的石墨材料对145nm的光的反射率增强。掺硅原子的石墨材料对波长在170nm～340nm的光反射率明显低于纯净石墨。掺硅原子的石墨材料对波长在370nm～540nm的光的反射率略高于纯净石墨。纯净石墨材料对波长在550nm～800nm的光的反射率大幅高于掺硅原子的石墨材料。在波长0～800nm区间内，纯净石墨和掺不同浓度硅原子的石墨材料的反射率分别为0.9，0.55、0.5、0.45，说明硅掺杂使得石墨材料的光反射率降低，并随掺杂浓度的提升持续下降。

3.3 材料吸光系数

纯石墨和分别掺杂1个、3个、6个Si原子的石墨材料的吸光系数计算结果对比图如图3。

图3 纯石墨和不同个数Si掺杂石墨吸收系数对比图

可以看出：石墨吸光系数随波长振荡，波长为0～100nm时，振荡明显，出现了间距非常短的波峰与波谷，波长超过100nm后，趋于平稳，振荡幅度减小，波长超过380nm后，仍然有吸光性；掺杂一个硅原子的石墨吸光系数的波峰（最大值）低于纯净石墨，且在250nm～400nm的波长区间趋于平缓；掺杂三个硅原子的石墨的吸光系数振荡幅度明显小于纯净石墨和掺杂一个硅原子的石墨的吸光系数振荡幅度，且在100nm～400nm区间内很平缓，吸光系数的最高点出现在375000附近。掺杂六个硅原子的石墨吸光系数的振荡幅度相较于以上三种结构的振荡幅度又有减小，在500nm～600nm区间内很平缓，吸光系数的最高点出现在310000，其吸光系数值最小。

3.4 材料吸光系数分析

通过对比纯净石墨、掺硅原子石墨材料的吸收曲线得：纯净石墨及掺杂硅原子石墨材料的对0～100 nm的光的吸收曲线波峰波谷形状大体相同，但随掺硅原子的浓度提升，其的波峰波谷会向前推移，其光吸收值随着掺硅原子浓度的提升而下降。对100nm～175nm的光掺硅原子石墨材料的光吸收值均高于纯净石墨。对175nm～345nm和550nm～800nm的光纯净石墨的光吸收值高于掺硅原子石墨材料。纯净石墨对370nm～550nm的光的吸收值低于掺硅原子浓度较低时的石墨材料，但高于掺硅原子浓度较高的石墨材料。纯净石墨的吸收最高可达570000左右，掺杂了一个、三个、六个硅原子的最高值分别为495000、375000和310000。