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石墨烯是一种二维结构的新型材料,其独特的晶体结构和性质使石墨烯具有广阔的前景,然而石墨烯零带隙的特征限制了石墨烯在半导体器件等方面的应用。本文基于第一性原理研究替位掺杂单层石墨烯的电子特性、光学性质以及单层石墨烯的热力学性质、拉曼光谱,为其在半导体器件、石墨烯调频激光器等领域的应用提供理论指导。主要研究内容如下:(1)通过第一性原理计算得到了单层石墨烯的电子结构、光学性质。研究结果表明:单层石墨烯具有零带隙特征,导带和价带的交点为狄拉克点,呈现出金属性质;单层石墨烯在太赫兹、红外线和可见光波段的吸收和反射非常小,几乎处于透明状态,对光的吸收和反射主要出现在紫外线波段;复折射率表现出双折射性质;电导率在太赫兹和红外线波段几乎为零,紫外线波段达到最大值;太赫兹和红外线波段能量损耗为零,可见光波段内能量损耗非常小,在紫外线波段能量损耗达到最大值。(2)选取ⅢA原子B和VA原子N作为掺杂原子,研究单原子替位掺杂单层石墨烯对单层石墨烯的电子特性的影响。研究结果表明:掺杂之后石墨烯带隙打开,由金属性质转化为半导体性质,对石墨烯在半导体器件和光电信息等领域的研究具有理论指导意义。(3)选取ⅢA原子B和VA原子N作为掺杂原子,研究单原子替位掺杂单层石墨烯对单层石墨烯的光学性质的影响。研究结果表明:IIIA的原子B掺杂单层石墨烯后对光的吸收率、反射率、折射率、电导率和能量损耗的范围减小。B掺杂单层石墨烯在太赫兹、红外、可见光波段的吸收率、反射率、折射率、电导率、能量损耗都非常小,主要出现在紫外线波段;与单层石墨烯相比,B掺杂单层石墨烯在紫外线波段的吸收率、反射率、折射率、电导率、能量损耗明显减弱。VA的原子N掺杂单层石墨烯后对光的吸收率、反射率、折射率、电导率、能量损耗在太赫兹、红外线、可见光波段具有明显的变化,在紫外线波段的吸收率、反射率、折射率、电导率、能量损耗强度与单层石墨烯相比明显降低。(4)通过第一性原理计算了单层石墨烯的热力学性质和拉曼光谱。研究结果表明:德拜温度、摩尔热容量、热焓,熵都随着温度的升高而增加,自由能随着温度的升高而降低。拉曼光谱峰是由D峰,G峰和2D峰组成,G峰是最主要的特征峰。