溴/氟掺杂石墨烯纳米片的电子-光学特性调控及化学活性增强机制研究

本研究通过密度泛函理论(DFT)系统探究Br/F掺杂对石墨烯纳米片(GNFs)的电子结构、光学特性及化学活性的调控机制，发现卤素掺杂可显著降低带隙(最低至1.194 eV)、提升功函数(达4.364 eV)并增强电负性，为开发新型纳米电子器件和传感器提供理论依据。

　　

在二维材料研究领域，石墨烯纳米片(GNFs)因其独特的电子和光学特性备受关注，但本征石墨烯的零带隙特性严重限制了其在半导体器件中的应用。如何通过可控手段调控GNFs的电子结构，成为突破其应用瓶颈的关键科学问题。传统尺寸裁剪和边缘工程虽能诱导量子限域效应，但精确控制带隙仍面临挑战。与此同时，卤素掺杂作为改性石墨烯的有效策略，其原子级作用机制及多参数协同调控规律尚不明确。

University of Sumer物理系的研究团队在《Materials Today Quantum》发表研究，采用密度泛函理论(DFT)结合时间依赖DFT(TD-DFT)，系统分析了Br/F单掺杂及共掺杂对C₂₄H₁₂体系七元环GNFs的几何结构、电子特性和光学响应的调控规律。研究通过B3LYP/6-31G基组优化分子构型，计算前沿分子轨道(HOMO/LUMO)、态密度(DOS)和化学活性指数，并采用TD-DFT模拟紫外-近红外吸收光谱。

几何优化显示：卤素掺杂引发显著晶格畸变，Br原子因大半径产生空间位阻，F原子通过强电负性(3.98)诱导电荷重排，使Br₂F₂-GNFs偶极矩达6.288 Debye。

电子特性调控方面：原始GNFs带隙为4.172 eV，Br/F掺杂通过形成中隙态将带隙降至1.548-1.194 eV，其中Br₃F₃-GNFs带隙最小。DOS分析表明掺杂使费米能级负移，Br₂F₂-GNFs功函数提升26.9%至4.364 eV。

化学活性变化：掺杂体系硬度(η)降低50%以上，电负性(μ)和亲电性指数(ω)显著增加，Br₂F₂-GNFs的ω达13.356 eV，表明电子转移能力增强。

光学特性转变：吸收边红移至近红外区(2253.32 nm)，振荡强度(f)提高，HOMO→LUMO跃迁贡献超97%，证实掺杂有效促进电荷转移。

该研究首次阐明Br/F共掺杂GNFs的多尺度调控机制：卤素原子通过协同电子效应（F提供强极化，Br增强轨道杂化）和空间效应，实现带隙精确裁剪（调节幅度达3 eV）与表面极性可控增强。所建立的构效关系为设计高性能纳米光电器件（如近红外探测器、低功函数电极材料）提供新思路，同时拓展了石墨烯在催化、传感等领域的应用场景。特别值得注意的是，通过多原子掺杂产生的非线性效应（如Br₃F₃体系反常带隙降低），为开发新型量子功能材料开辟了道路。