硅摻雜對石墨光性能影響的模擬研究*

李書婷

（商洛學院電子信息與電氣工程學院 商洛 726000）

1 引言

關于摻雜石墨材料的具體研究，現階段主要存在于提高其的光電性能、導熱性能、力學性能（韌度等）、抗氧化性能等方面。而石墨作為被摻雜的對象，那么摻雜物的種類、數量、存在方式等都會對摻雜過后的石墨材料特性產生不同的影響。這些材料直接影響石墨物質的微觀結構、微觀外貌、組織結構等［1］，就會對石墨材料的性能產生顯著的影響。以下分別總結了幾種主流的物質摻雜石墨的研究進程以及摻雜效果。

硼或硼化物摻雜石墨，硼與碳反應會生成碳化硼，其有催化石墨化的作用。由于硼原子與碳原子性質相差甚遠，將硼原子摻雜進去后，會大大降低物質整體的導熱系數［2］，增強了顆粒間的連接性以及材料整體的力學強度［3］，此外，極大地增強了碳材料的抗氧化能力［4］。Miyazaki團隊［5］使用熱壓法完成了B4C與純石墨的復合性材料。通過實驗發現采用熱壓法制備的B4C在摻雜了純石墨物質之后，其抗壓與可彎曲能力都增強了許多，并且伴隨著B4C材料濃度的提升還會不斷的升高。李廣田等［6］采用硼化物浸漬液（氧化硼）進行了護碳素物質的氧化實驗：標準氣壓下，將這兩種混合后的物質將氧化最低溫度提高到了1173K，強度提升至56%，電阻率也略有降低。Zeng等用硼酸涂抹在石墨表層，發現750℃～900℃區間內氧化失重率顯著下降，并且當增大溫度時，這個值的變化非常小，趨于穩定。

鈦摻雜石墨材料。鈦會在1800℃～2000℃與碳材料發生反應從而生成碳化鈦物質，增強了物質的石墨化度。碳化鈦材料是具有金屬特性的化合物，電阻率是0.6，給了鈦材料摻雜石墨的導電性能啟發［6］。邱海鵬［7］研究員使用熱壓工藝法制造不同濃度不同配比的鈦摻雜結晶石墨物質，其熱導率與抗彎強度有了很大的提升。張光晉等［8］研究了不相同的鈦濃度的再結晶石墨有較低的電阻率。

硅摻雜石墨。碳化硅是半導體特性的物質，那么兩者進行摻雜后必然會對材料的導電性能產生影響。邱海鵬［9］團隊得出摻雜了硅的石墨的導熱導電性能都有很明顯的提升，但是材料的力學性能卻是降低了。張光晉等也研究了硅摻雜石墨，他們發現當硅的濃度較高時，硅摻雜石墨物質的力學性能降低。張光晉等［8］制備了碳化硼、鈦、硅三組元摻雜石墨物質和鈦、硅雙組元摻雜石墨物質得出，當硅的濃度較低時，摻雜石墨材料物質的導電性能和其的石墨化程度有了提升。

現階段石墨的制備主要是通過更改原料的搭配度、大小、種類等因素改變石墨的微觀組織結構以及改變煅燒溫度、煅燒時間、成型方法等工藝因素［10～15］。此類方法存在效率低、后處理工藝繁瑣、成本大等問題，制約了石墨應用的發展。所以，利用計算機軟件從石墨的微觀結構出發，將其它元素與石墨進行摻雜，通過理論計算分析摻雜對石墨性能改變是增強石墨材料的實際應用的可行途徑。本文用軟件對石墨微觀結構摻雜不同個數硅原子并進行結構優化，通過計算分析了純石墨及摻雜不同個數硅原子石墨的反射率和吸光系數，對比得出硅原子摻雜對石墨材料光性能的影響，為石墨性能的改善提供了理論依據。

2 研究工具及方法

使用計算機構建石墨微觀模型，模擬計算石墨、摻雜了硅原子的石墨的微觀結構，然后對微觀結構進行優化，得到最優結構，最后計算以及分析得出最優化結構反射率、吸光系數曲線圖，通過對比分析這些圖最終得到摻硅原子對石墨光性能的影響。本文用來進行模擬計算最優石墨的微觀結構以及摻雜1、3、6個硅原子的石墨的微觀結構如圖1所示。

3 計算結果及討論

3.1 材料的反射率

純石墨和分別摻雜1個、3個、6個Si原子的石墨材料的光反射率計算對比如圖2。

圖2 純石墨和不同個數Si摻雜石墨反射率對比圖

可以看出：石墨的反射率與波長有振蕩關系，在波長為0～100nm時石墨的反射率在反復振蕩，在波長超過100時反射率與波長的關系跨度增大，有越來越大趨勢；摻雜一個硅原子的石墨反射率最高是0.5，0～100nm時振蕩頻繁，在170nm時到達最低點，之后不斷走高，但不能確定反射率是否有超過0.55的趨勢；摻雜三個硅原子的石墨與石墨和摻雜一個硅原子石墨的反射率有明顯區別，前兩者在0～100nm波長區間內震動反復且激烈，而摻雜三個硅原子的石墨顯得“穩重”了許多，在400nm附近，反射率達到最高點；摻雜六個硅原子的反射系數最低，在0～800nm區間內最高值僅為0.45。

3.2 材料的反射率分析

通過對比反射率曲線得：在0～100nm區間內，純凈石墨與摻雜石墨材料的波峰波谷形狀大體相同，其光反射率隨著摻雜硅原子濃度的提升不斷下降，但不能發現波峰波谷在波長方向上的偏移規律。純凈石墨對波長為145nm的光的光反射率幾乎為0，而摻雜了硅原子的石墨材料對145nm的光的反射率增強。摻硅原子的石墨材料對波長在170nm～340nm的光反射率明顯低于純凈石墨。摻硅原子的石墨材料對波長在370nm～540nm的光的反射率略高于純凈石墨。純凈石墨材料對波長在550nm～800nm的光的反射率大幅高于摻硅原子的石墨材料。在波長0～800nm區間內，純凈石墨和摻不同濃度硅原子的石墨材料的反射率分別為0.9，0.55、0.5、0.45，說明硅摻雜使得石墨材料的光反射率降低，并隨摻雜濃度的提升持續下降。

3.3 材料吸光系數

純石墨和分別摻雜1個、3個、6個Si原子的石墨材料的吸光系數計算結果對比圖如圖3。

圖3 純石墨和不同個數Si摻雜石墨吸收系數對比圖

可以看出：石墨吸光系數隨波長振蕩，波長為0～100nm時，振蕩明顯，出現了間距非常短的波峰與波谷，波長超過100nm后，趨于平穩，振蕩幅度減小，波長超過380nm后，仍然有吸光性；摻雜一個硅原子的石墨吸光系數的波峰（最大值）低于純凈石墨，且在250nm～400nm的波長區間趨于平緩；摻雜三個硅原子的石墨的吸光系數振蕩幅度明顯小于純凈石墨和摻雜一個硅原子的石墨的吸光系數振蕩幅度，且在100nm～400nm區間內很平緩，吸光系數的最高點出現在375000附近。摻雜六個硅原子的石墨吸光系數的振蕩幅度相較于以上三種結構的振蕩幅度又有減小，在500nm～600nm區間內很平緩，吸光系數的最高點出現在310000，其吸光系數值最小。

3.4 材料吸光系數分析

通過對比純凈石墨、摻硅原子石墨材料的吸收曲線得：純凈石墨及摻雜硅原子石墨材料的對0～100 nm的光的吸收曲線波峰波谷形狀大體相同，但隨摻硅原子的濃度提升，其的波峰波谷會向前推移，其光吸收值隨著摻硅原子濃度的提升而下降。對100nm～175nm的光摻硅原子石墨材料的光吸收值均高于純凈石墨。對175nm～345nm和550nm～800nm的光純凈石墨的光吸收值高于摻硅原子石墨材料。純凈石墨對370nm～550nm的光的吸收值低于摻硅原子濃度較低時的石墨材料，但高于摻硅原子濃度較高的石墨材料。純凈石墨的吸收最高可達570000左右，摻雜了一個、三個、六個硅原子的最高值分別為495000、375000和310000。

4 結語

1）摻雜了Si原子后，石墨材料的光反射率降低，并且隨著Si原子的摻雜濃度提升，摻雜石墨材料的光反應率將會持續降低。

2）摻雜了Si原子后，石墨材料吸光性能降低，并且隨著Si原子的摻雜濃度提升，摻雜石墨材料的吸光性能將會繼續降低。