二维界面材料的光学特性研究

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2、材料的光学特性研究Thestudyonopticalpropertiesoftwo-dimensionalinterfacematerials作者：王金刚指导教师：马凤才教授专业：物理化学答辩时间：2018年5月25日二○一八年六月·中国辽宁摘要石墨烯（graphene）和二维六方氮化硼（h-BN）作为典型的二维纳米材料在力学、热学、光学、电学、磁学及自旋电子学等方面显示了独特的性能和广阔的应用前景。我们聚焦微纳尺度上的二维界面材料的光学性能（例如石墨烯量子点，GQDs），对微纳尺度的graphene、h-BN和垂直堆叠的晶格完全匹

3、配的graphene/h-BN范德华异质结构的光学特性进行理论计算和研究，并用物理知识来解释相关的物化机理。（1）利用GaussianView软件设计二维界面材料的计算模型：四边形，五边形和六边形的GQDs；边界界面用氨基“-NH2”表面功能化（SurfaceFunctionalization）的四边形、五边形和六边形GQD（SF-GQDs）；利用Gaussian16对六个界面材料的模型进行优化后；基态的GQDs表面平整且几何对称，而SF-GQDs则表面变得起伏粗糙；对优化好的六个界面材料计算模型进行激发态的计算。（2）利用六个界面

4、材料计算模型的吸收光谱，电荷差分密度（chargedifferencedensity，CDD）及态密度（DensityofStates，DOS）特征来具体分析形状，边界界面构型，边界界面修饰等因素对GQDs和SF-GQDs光学性能的影响。研究表明：对于不同形状的GQDs，zigzag型边界的C原子比armchair型边界的C原子对体系的CDD和可见光区域的光学吸收特性影响更大；由于三个体系结构为规则的对称形状，使得GQDs的CDD图中的电荷聚集也有明显的对称性；且表现为局域激发特征。SF-GQDs的可见光区域的光学吸收特性更好，体系

5、的电荷差分密度CDD表现强烈；所有经过边界界面修饰的SF-GQDs的吸收光谱都有吸收波段的红移；三种SF-GQDs的CDD对称性破缺，且局域激发特征与电子激发跃迁特征并存。（3）构建与上述六边形GQDs晶格完全匹配的h-BN界面材料计算模型。在此h-BN界面材料的优化好的基态以后，进行光学吸收特性理论研究。重点讨论h-BN的边界构型对整个体系的DOS和光学特性的影响。研究表明：h-BN由于N原子和B原子的不等价性，使其在激发态下的CDD图对称性破缺；h-BN具有优异的深紫外光区的吸收特性且表现为电子跃迁激发特征。（4）利用上述优化好

6、的六边形graphenen界面材料模型和h-BN构建垂直堆叠的晶格完全匹配的graphene/h-BN范德华异质结构的界面材料计算模型，对模I型进行基态优化，且对体系进行光学吸收特性研究。利用此界面材料的态密度、光学吸收谱线和电荷差分密度CDD对模型进行分析。分析的结果可以看出：异质结构在可将光区和近紫外光区的光吸收较好；吸收谱对比单层graphene的吸收谱有红移现象出现；异质结构中的graphene层的CDD具有高度对称性；h-BN衬底对graphene微材料的可见光吸收波段有影响，但不参与电子激发跃迁或局域激发；整个体系具体表

7、现为局域激发特征。（5）实验研究方面：我们对不同pH值溶液中等离子体驱动的4-硝基苯硫醇（4-NBT）二聚成为p，p'-二巯基偶氮苯（DMAB）的化学反应进行了操作和观测。实验结果表明：这种化学反应取决于液态环境的pH值，并且它们在酸性条件下比中性和碱性条件下更完全地进行；此外，化学反应的速率通过曝光时间和入射激光功率得到有效控制；稳定的pH依赖性表明等离子体驱动的4-NBT与DMAB的化学反应对周围环境敏感，并且具有更广泛的应用。本文通过对纳米尺度二维界面材料的光学性能进行理论模拟计算，从而揭示形状、尺寸、边界界面构型、边界界面的

8、氨基修饰和衬底对二维界面材料的光学性能的影响，从而为二维界面材料在光学及光电子学性质的研究方面提供计算方法和理论依据。实验操作方面，我们使用时间依赖性和激光功率相关的SERS光谱调查了pH值对等离子体驱动的4-NBT二聚成吸附在Ag纳