徐强 司雪 佘维汉 杨光敏†

1) (长春工程学院勘察与测绘工程学院, 长春 130021)

2) (长春师范大学物理学院, 长春 130032)

由于量子限域效应和态密度的限制, 石墨烯、硅烯等二维材料的量子电容在费米能级附近趋近于零.基于密度泛函理论的第一性原理研究发现, 掺杂和吸附使石墨烯等二维电极材料的电子结构得以有效的调制,它促进狄拉克点附近局域电子态的形成和/或费米能级的移动, 从而使量子电容得到了提高.比较Ti (Au, Ag,Cu, Al)和3-B (N, P, S)掺杂单空位石墨烯(硅烯, 锗烯)的量子电容, 发现3-N掺杂单空位石墨烯和Ti原子吸附单空位硅烯、锗烯的量子电容明显得到了提升, 量子电容分别为118.42 µF/cm2, 79.84 µF/cm2和76.54 µF/cm2.另外还研究了3-N掺杂三种烯类的浓度效应, 随掺杂浓度的增加, 量子电容呈增加趋势.通过研究各掺杂体系的热力学稳定性问题, 发现Ti是最稳定的吸附原子, 因为Ti和C原子之间可以形成强键.在B, N, P, S掺杂单空位硅烯和锗烯中, S是最稳定的掺杂原子, 而对于石墨烯, N掺杂的形成能最低, 量子电容最高.上述二维电极材料的理论模拟计算为超级电容器和场效应晶体管中的实际应用做出了探索性的工作.

1 引 言

随着全球能源危机和环境污染的加剧、便携式电子设备的流行和新型动力交通工具的高速发展,人类社会迫切需要开发洁净、可持续和可再生能源.在这一时代背景下, 研制了超级电容器–一种新型的绿色环保储能装置[1].高功率、长寿命、高可靠性皆为双电层超级电容器所具……