关键词： 拓扑绝缘体   自旋陈数   拓扑晶态绝缘体   拓扑量子相变   谷电子学   拓扑泵浦   逆自旋霍尔效应   逆Edelstein效应  

摘要： 拓扑绝缘体是一种新奇的物质的态,它们的体能带与普通绝缘体一样存在能隙,但在边界处存在无能隙的边界态,这是由其能带结构的非平庸拓扑性质决定的。拓扑绝缘体由拓扑不变量Z2或自旋陈数来刻画。它的边界态由能带拓扑性和时间反演对称性所保护,因此不被非磁杂质散射,另外,边界态还具有螺旋结构,即动量和自旋是绑定的,这些性质在自旋电子学领域有广泛的应用。拓扑绝缘体在理论预言后不久,就在实验上被证实,并被推广到三维系统。它的迅速发展吸引的广泛的兴趣。受拓扑绝缘体的启发,人们将能带结构的分类扩展到了另一个方向——包括晶格对称性,并称这类由晶格对称性保护的拓扑绝缘体为“拓扑晶态绝缘体”。人们还预言了存在拓扑晶态绝缘相的真实材料,相关预言已被实验证实。另外,在二维蜂房格子系统中除了电荷自由度和自旋自由度,还存在着谷自由度,最近很多与谷相关的拓扑相变已经在理论上提出来了,利用这些谷相关的拓扑相,人们还设计了有趣的电子器件。在第二章中,我们讨论了在Zeeman场下拓扑晶态绝缘体SnTe表面态的拓扑性质。发现通过调节Zeeman场的方向,可以实现谷相关的拓扑相变。用赝自旋陈数描写系统的拓扑性质,我们得到半径为B的相球,其中包含陈数C=2的量子反常霍尔态,陈数C=1的量子反常霍尔态,量子赝自旋霍尔态,以及平庸拓扑绝缘体态。在C=1量子反常霍尔态和平庸绝缘体态中,两个谷处于不同的拓扑态。这种谷相关的拓扑相为设计低耗散的电子学器件以及基于拓扑晶态绝缘体的谷电子学应用提供了新的平台。拓扑绝缘体由拓扑不变量Z2指标或自旋陈数来刻画。然而,不同于描写量子霍尔效应的第一类陈数,到目前为止,这些拓扑不变量还未被直接测量和利用,虽然有几个方案已经提出来去观察它们。所以,测量这些拓扑不变量的更简单实用方法是值得期待的。在第三章,我们提出在硅烯中的拓扑泵浦效应,以直接测量系统的拓扑不变量。我们考虑在硅烯中施加两个含时电场,其中一个交变电场处于硅原子所在平面内,大小为Ey,另一个电场垂直平面,包含两部分,静电场和交变场,大小分别为E0z和E1z。使用自旋-谷陈数特征系统的拓扑性质,我们可以看到这个系统可以处于纯的谷泵浦态,混合的自旋-谷泵浦态,以及平庸泵浦态,由垂直电场的强度E0z和E1z决定。由散射矩阵计算的每个循环泵浦的谷和自旋总量与自旋-谷陈数描写完全一致。这个总量正比于样品的宽度,对材料参数不敏感,这说明了泵浦是一种体效应,与边缘态无关。自旋霍尔效应是由于自旋-轨道耦合,电荷流引起横向自旋流的物理现象。这种效应为产生自旋流提供了一种电学方法。基于相同的物理机制,纯自旋流也可以产生横向电荷流或可测量的电势差,这称为逆自旋霍尔效应。在第四章,我们发展了一套理论来描写Bi2Se3薄膜表面态的逆自旋霍尔效应。我们将Bi2Se3连接到电子库,对电子库施加自旋偏压,自旋偏压通过它在通道本征态子空间的投影驱动电子输运。我们说明了拓扑表面态是逆自旋霍尔效应的理想平台,由于拓扑绝缘体表面态的自旋-动量绑定,这里自旋偏压完全可以转换为可测量的横向电压,使拓扑绝缘体内纵向自旋流为零。我们的理论解释了实验上在拓扑绝缘体内观察到的大自旋霍尔角。此外,完美的逆Edelstein效应,即完整的自旋-电荷转换也可发生在表面态。在本文的最后一章,我们做了一个简单的总结和展望。

关键词： 微波反应器   碳量子点   荧光材料   荧光淬灭  

摘要： 碳量子点是一种无毒的高效荧光的纳米材料,因其制备过程简单,水溶性较好、易于功能化等优点,已经广泛应用于生物医药、生物成像、光电传感器和光催化剂等领域。本文通过普通微波反应器和单模微波反应器以L-胱氨酸为原料制备荧光强度高、稳定性好的碳量子点。实验中研究了多种因素对于碳量子点荧光性质的影响,并将其作为一种荧光材料染色棉纤维、掺杂硅橡胶、制作隐形荧光墨水以及检测金属离子。主要研究结论如下:（1）利用单模微波反应器制备的荧光碳量子点在水溶液中分散性好,外貌近乎球形,颗粒的尺寸大小不均匀,平均尺寸2-6 nm。碳量子点的水溶液在日光灯下呈现淡黄色,在365 nm紫外灯下呈现绿色荧光,最佳荧光激发波长420 nm,最大荧光发射波长505 nm,荧光量子产率为24%。萃取到有机相中的碳量子点在日光灯下为无色、紫外灯下发出蓝色荧光,最佳荧光激发波长为365 nm,最大荧光发射波长变为430 nm,在氯仿和二氯甲烷中的平均荧光量子产率为86%。无论水相还是有机相,最大发射波长位置不随激发波长的改变而变化。（2）水相中的碳点可以在4 oC冰箱中长期保存,有机相中的碳点可以在室温下长期保存。实验制备的碳量子点的荧光强度随着反应时间的延长和氢氧化钠浓度的提高均出现先增强后减弱的趋势。当胱氨酸的浓度为10%时,最佳反应温度为135-140°C,氢氧化钠在反应体系中的浓度为0.7-0.9 mol/L。水相碳量子点在很宽的pH范围内都具有荧光性质,且荧光强度随着pH的升高而变弱。（3）实验中制备碳量子点作为荧光材料能够染色脱脂棉、也能够掺杂硅橡胶,并可以制作荧光墨水。研究发现,使用水相中的碳量子点染色棉纤维的荧光不够牢固,而氯仿相中碳量子点染色的棉纤维荧光更牢固;使用水相碳量子点掺杂的硅橡胶呈现淡黄色,不透明,紫外灯下呈现强的蓝绿色荧光,使用有机相碳量子点掺杂的硅橡胶无色、透明,在紫外灯下发出蓝色荧光。使用碳量子点制备的荧光墨水,可以用于书写和喷墨打印,此种墨水在日光灯下无字迹显示,但是在紫外灯下显示较为清楚的字迹。（4）通过研究多种金属阳离子和部分阴离子对荧光碳量子点的淬灭作用发现,少数的离子对碳量子点的荧光强度几乎没有什么影响。己烷相中的碳量子点对Fe3+,Fe2+,Cu2+有很强的响应,水相中和有机相中的碳量子点对Fe3+的荧光淬灭响应迅速。当Fe3+的浓度在100μmol/L内水相中的碳量子点的荧光淬灭显示明显的线性关系;当Fe3+的浓度在10-200μmol/L之间时己烷相中的碳量子点有明显的线性关系。

关键词： Boiling point  

摘要： This study demonstrates that the accuracy of empirical prediction of electric breakdown field of gases can be improved by adopting an appropriate machine learning approach. The performance of the machine learning models for predicting electrical breakdown strengths were evaluated by means of double cross validation technique. It is shown that the coefficient of determination between experimental and predicted electric breakdown strengths can be increased by roughly 30% and the standard deviation can be decreased by roughly 30% by adopting kernel ridge regression (KRR) method and by choosing the best number and combinations of predictors. Electric breakdown strengths and boiling points of (CF3)2CFCN and CF3C(O)CF(CF3)2 molecules that are recently proposed as alternative gases for SF6, are predicted by KRR method with the aid of quantum chemical calculations. Predicted electric breakdown strengths and boiling points were in good agreement with experimental findings;the prediction errors of breakdown strengths and boiling points were within 30 and 10%, respectively. © 2017 The Institute of Electrical Engineers of Japan.

关键词： 马约拉纳费米子   零偏压异常   主方程方法   微分电导  

摘要： 近年来,由于拓扑超导体的边缘态具有独特的马约拉纳束缚态,而使之成为一种新型的量子体系,使得拓扑超导体与传统超导体有很大区别,因为马约拉纳费米子拥有独特的性质,在诸多方面具有潜在的应用价值,使研究马约拉纳费米子的拓扑超导体成为物理学尤其是凝聚态物理最受关注的前沿课题之一。由于无论在实验室研究还是在理论研究方面,量子点都是很好地探测马约拉纳费米子的量子体系,因此研究马约拉纳费米子对单量子点输运性质的影响就显得非常有意义。我们在本文中从理论上研究了马约拉纳费米子-量子点杂化系统输运性质。基于广义主方程方法,我们计算了通过此系统的电流、微分电导和Fano因子,同时,为了比较,我们同样研究了费米子-杂化系统的输运性质。计算结果表明:1.在马约拉纳费米子-量子点杂化系统中,马约拉纳费米子与量子点中电子的耦合T∞消除了系统的四重简并,使系统变成了四个双重简并。在T∞的增加过程中,整个系统保持偶宇称量子态与奇宇称量子态一对一的双重简并,即T∞的出现消除了系统的四重简并,但保持了系统的双重简并,导致零偏置反常现象的出现。2.在马约拉纳费米子-量子点杂化系统中,库仑相互作用增加了量子态e4和o4的能量,因而增加了电流台阶,但库仑相互作用不会影响系统量子态的简并度,也不压制零偏置反常现象,而T∞对能级有显著的影响,所以随着T∞的增加,其电流线型呈现出四个台阶。

关键词： 低维材料   声子   分子动力学   场力   空位缺陷  

摘要： 电气、电子技术的进一步发展,对元器件性能提出了更高要求。低维材料尤其是石墨烯、石墨炔等碳素薄膜材料凭借其极大的比表面积、高电导率与极佳的机械性能成为芯片制造的新选择,但局部区域的热量导出成为新的技术难题,制约着微电子技术的发展。因此,低维材料输运性质的研究显得愈发重要,导热特性的控制成为微电子技术发展的关键。作为一类线度极低,甚至小于电子德布罗意波长的材料,低维材料的载流子被限制在特定维度内运动,其输运性质与体材料有着巨大差别,使其具备独特的物理性质。但目前低维材料的研究主要集中于电、光与机械性质,热导性质的研究仍需深入完善。热导性质的研究方法很多,诸如以玻尔兹曼输运方程为代表的理论分析与以光热偏转法为代表的实验方法等。但低维材料本身特殊的结构与尺寸增加了研究难度。相较而言,分子动力学通过计算体系构型积分、求解粒子运动方程,能更好地对材料热物性进行研究,成为本文研究的仿真工具,本文以石墨烯为研究对象,采用分析动力学模拟的方法对其输运性质进行深入研究。首先,建立单层石墨烯纳米带模型,采用非平衡态的模拟方法对其热导性质的影响因素如尺寸、手性以及温度等进行了研究。研究表明:石墨烯纳米带热导率存在尺寸效应,一定范围内,石墨烯热导率同长宽均存在正相关关系,这是由声子平均自由程与边界条件共同决定的,符合经典声子理论;不同手性石墨烯也存在差异,边界传输速度与传输机制的不同使锯齿石墨烯(ZGNRs)热导率稍高于同尺寸的扶手石墨烯(AGNRs)20%左右;另外温度也会使模拟范围内(300-500K)的热导率在呈现先上升后下降的趋势。除此以外,势函数与边界条件等仿真参数的选取也会对模拟结果造成影响。接着对缺陷与场力等内外因素做了深入分析,研究发现:缺陷位置对石墨烯热导影响不大,但缺陷密度的增加会导致热导率极速下降;场力对热导性质变化影响较大,模拟范围内可将热导率提升至静态时的3倍;垂直热流方向的场力作用稍微高于热流方向;场力频率的增加会导致热导数值的波动,但两者总体趋势呈现正相关,即频率越高,热导率越大。本文对低维材料导热特性进行了系统研究,为进一步控制与提升元器件的热导提供了新思路。

关键词： 半导体量子点   光致荧光发射谱   载流子隧穿   能量转移  

摘要： 半导体量子点纳米材料不但具备很多独特的物理性质,而且在各类光电器件上具有巨大的潜在应用价值,本论文主要利用光致荧光发射谱（PL）和时间分辨荧光谱（TRPL）等光致荧光光谱技术研究InAs系列量子点分子纳米材料的光学性质,具体的工作主要包括如下三个方面:⑴研究了GaAs间隔层厚度对双层结构InAs/GaAs量子点分子光学性质的影响。低温下30ML、40ML和50ML间隔层的三个样品的光致荧光发射谱均为双峰结构,底层量子点（SQDs）和顶层量子点（TQDs）之间存在有效的载流子转移,而且随着间隔层厚度变大载流子转移效率变低;测量了三个样品TQDs的PL谱峰值位置（Emax）、半峰全宽（FWHM）及积分强度随温度的变化,表明随着GaAs间隔层变大,TQDs和SQDs层间耦合变弱;最后,分析了三个样品的时间衰退行为（TRPL）,间隔层厚度大的样品的载流子隧穿时间有明显延长。⑵研究了Al0.5Ga0.5As势垒层对InAs/GaAs量子点分子光学性质的影响。低温下InAs/GaAs量子点分子的PL谱为双峰结构,两层量子点之间存在有效载流子转移。插入Al0.5Ga0.5As势垒层后,量子点发光峰发生蓝移,而且SQDs发光峰的强度相对变大,说明插入的Al0.5Ga0.5As势垒层降低了载流子转移效率。PL谱的峰位能量、FWHM、积分强度、强度比R值随温度和激发强度的变化表明耦合双层量子点结构内载流子的转移既依赖于温度,也受强度影响。TRPL结果显示,加入Al0.5Ga0.5As势垒层后,载流子从SQDs到TQDs的隧穿时间由0.38ns增加到0.77ns,实验结果与WKB半经典公式的理论计算数据相吻合。⑶研究了InAs/GaAs+InAs/GaAsSb混合结构量子点分子的光学特性。利用XRD确定了GaAsSb覆盖层组份分别为GaAs0.85Sb0.15和GaAs0.75Sb0.25,三个单层量子点参考样品的PL谱验证了InAs/GaAs0.85Sb0.15与InAs/GaAs0.75Sb0.25量子点的II型能带结构。在T=10K温度条件下混合结构量子点分子PL谱随激光激发功率的增强呈现多峰结构,对应混合结构量子点分子内不同的载流子跃迁复合通道。表明混合结构量子点分子具有与普通InAs/GaAs量子点分子不同的内部载流子产生、转移、复合动力学学过程。

关键词： 碳量子点   分子印迹聚合物   氮掺杂石墨烯   电化学传感器   染发剂   苯二酚同分异构体   同时测定  

摘要： 碳量子点是一种重要的荧光碳纳米材料,也被称为碳点、碳纳米晶,碳纳米点,尺寸大小在10nm以下具有近乎准球型结构的新型碳纳米材料。与传统的半导体量子点和染色材料相比,碳量子点自身具有独特的优点,如粒径小,水溶性好,低毒性,化学惰性高,易于功能化等。基于碳量子点的独特的电学,光学和机械特性,使其本身在许多领域具有潜在的价值和广泛的应用。本文主要研究内容如下:1、基于氨基尿嘧啶修饰的碳量子点分子印迹的制备及其对2,6-二氨基吡啶的电化学检测使用碳量子点（CQDs）作为分子印迹的内核,6-氨基尿嘧啶（6-AU）作为功能分子来吸附2,6-二氨基吡啶（2,6-DAP）,同时用石墨烯来增强核壳纳米粒子的电化学活性,从而成功制备了碳量子点分子印迹（CQDs-MIPs）,并分别使用扫描电子显微镜（SEM）,透射电子显微镜（TEM）,傅里叶红外光谱仪（FT-IR）,电化学阻抗谱（EIS）,紫外可见分光光度计进行表征。碳量子点成功的与6-AU结合并包覆在核壳内,CQDs-MIPs/GrCS滴涂在玻碳电极（GCE）上,在pH=7.0时电化学检测2,6-DAP,检测结果表明:2,6-DAP在CQDs-MIPs/GrCS上的电化学效果比GCE,MIPs,N-MIPs,N-MIPs/GrCS更明显,说明CQDs-MIPs/GrCS对2,6-DAP有更灵敏的检测。通过检测条件的优化,该材料对2,6-DAP的检测范围是0.5～20.0 mg kg-1,检测限为（S/N=3）0.051 mg kg-1。同时构建的电化学传感器表现出优良的重复性、电化学稳定性和抗干扰性。2、一种水热法制备氮掺杂石墨烯/碳量子点及对苯二酚同分异构体的同时检测本章使用柠檬酸钠、碳酸氢氨和GO通过水热法制备成N-Gr/CQDs复合材料然后我们分别使用扫描电子显微镜（SEM）,透射电子显微镜（TEM）,电化学阻抗谱（EIS）,紫外可见光谱,拉曼光谱和X射线光电子能谱对其表征。实验表明N-Gr/CQDs具有优良的电化学活性,高的比表面积和良好的水分散性。构建成的电化学传感器实现了对苯二酚同分异构体的分离检测。在对检测条件优化后邻苯二酚（CC）和对苯二酚（HQ）的的氧化峰电位分别为336 mV和186 mV,峰电位差为15mV,这使得CC和HQ可以同时检测,CC的检测范围为1～480μM,检测限（S/N=3）0.21μM,HQ的检测范围为0.5-400μM,检测限（S/N=3）0.17μM。将N-Gr/CQDs应用于自来水中苯二酚异构体的的检测,其结果令人满意。

关键词： Photocatalytic degradation   Carbon Quantum Dots   ZnFe2O4   In2S3   Bi4O5I2   methyl orange  

摘要： 偶氮染料是当今种类最多、使用最广泛的一类染料。但是在生产和应用过程中,高达10%-15%的染料未经处理就被排放到环境中,对人类的生活和健康造成了巨大威胁。因此,排放前对其进行无害化处理是目前控制偶氮染料废水污染的最好方法。目前,传统的处理偶氮染料废水的方法效果不佳,在处理偶氮染料污染的同时,可能会造成更为严重的环境危机（例如活性泥法,在厌氧条件下可能会生成对人类危害更大的芳香胺类物质）。因此,人们迫切需要寻找一种高效、清洁、可持续的方法来解决偶氮染料废水问题。在这种背景下,半导体光催化技术走进了人们的视野。然而光生电子-空穴对分离不彻底、电子和空穴复合率高等缺点在一定程度上限制了单一半导体光光催化剂的活性。为了解决上述问题,该工作选用一种新型的纳米碳材料（碳量子点）来修饰半导体光催化剂,希望能够大幅度的提升其对偶氮染料（甲基橙）的光催化降解活性。具体研究内容如下:（1）CQDs/ZnFe2O4复合材料是通过一种简单的超声波辅助法制备的。各种表征结果显示:ZnFe2O4微球被低对比度的碳量子点层包覆,形成了一种核壳结构。为了研究CQDs/Zn Fe2O4复合材料的光催化性能,我们以制备的复合材料为催化剂进行了光催化降解亚甲基蓝的研究,结果表明:当碳量子点的负载量为20%（质量分数）时,CQDs/ZnFe2O4复合材料的光催化性能最优,大约是纯Zn Fe2O4样品的5.9倍。基于固体紫外-可见吸收、荧光、阻抗等分析结果,我们提出了光催化活性提高的可能机理。（2）通过一步水热法合成了一种新型的碳量子点修饰In2S3微球光催化剂,与纯In2S3相比,该催化剂表现出优异的偶氮染料降解活性（120 mim内可以实现对甲基橙近90%的光催化降解）。通过大量的实验和表征,我们发现:碳量子点修饰In2S3微球光催化剂具有优异的光催化活性的主要原因是碳量子点的上转换荧光功能和优异的电子转移能力。基于捕获实验、电子顺磁共振分析、紫外-可见吸收和理论计算可以确定·O2-和h+是光催化过程中的主要活性物种,进而提出了可能的光催化降解机理。（3）该部分工作主要研究CQDs/Bi4O5I2复合材料在可见光下降解偶氮染料甲基橙的性能。为了更好的突出碳量子点修饰半导体光催化剂用于光催化降解偶氮染料废水的优势,我们选取并制备最具代表性的Bi2S3/Bi4O5I2复合材料与

关键词： Au/WS2量子点复合物   模拟过氧化物酶活性   比色分析法   电化学无酶传感  

摘要： 零维WS2量子点（QDs）由于量子限制和尺寸效应表现出超高的可调谐性,并广泛应用于电致发光、光学开关、太阳能电池和生物成像等个领域。目前的研究主要是通过“从上向下”和“自下而上”两种机械方法来获得低维度半导体WS2,但是其尺寸和产率不好控制,合成出来的WS2 QDs难以满足预期的要求。纳米金Au修饰的半导体的复合纳米材料,由于其特殊的异质结和激子质子耦合赋予它们独特的光学和电子性质,引起越来越多的关注。近年来,以纳米Au为基础的复合纳米材料被广泛研究。本文采用水热法合成了WS2 QDs,并进一步通过原位还原法制备了可控的Au/WS2量子点纳米复合材料（Au/WS2 QCs）。在此基础上,充分利用WS2 QDs和纳米Au两者的优越性能及其协同作用,探讨了Au/WS2 QCs的模拟过氧化物酶性能及其对H2O2的无酶电催化作用,并进一步探索了以上体系在实际样品检测中的应用。本论文主要的工作内容如下所示:第一章:Au/WS2 QCs的合成及表征本文采用简单的水热法合成了新型水溶性WS2 QDs,结合纳米Au的优良性能,通过原位还原法制备了Au/WS2 QCs。并进一步对该Au/WS2 QCs的形貌、结构、组成和价态等进行了表征,以后续应用研究为目标,探究了该实验的最佳合成时间及各组分比例。该复合材料合成方法成本低,绿色环保、简单可控,因此不仅可将该方法拓展到其它过渡金属化合物的量子点材料制备,而且也可为Au/WS2 QCs在环境化学、生物医药等领域的应用提供良好的研究基础。第二章:Au/WS2 QCs模拟过氧化物酶性质的研究在第一部分研究工作基础上,本章充分利用纳米Au和WS2 QDs的协同催化作用,以Au/WS2 QCs为研究对象,TMB为显色底物,深入探究该复合物的模拟过氧化物酶的性质,并成功将其应用于无标记、高灵敏度、高选择性比色检测H2O2和葡萄糖中。在最佳反应条件下,Au/WS2 QCs检测H2O2的线性范围是2μmol/L1.8 mmol/L,检测限为0.676μmol/L（S/N=3）;对葡萄糖检测的线性范围为0.02 mmol/L1.2 mmol/L,检测限为0.879μmol/L（S/N=3）。因此,可以推断Au/WS2 QCs将在环境化学、生物技术和临床诊断等方面具有较好的潜在作用。第三章:基于Au/WS2QCs的电化学无酶传感用于细胞释放H2O2的检测本章基于Au/WS2 QCs良好的模拟过氧化物酶性能,结合纳米Au良好的导电性及生物相容性,进一步将Au/WS2 QCs/GCE用于电化学无酶H2O2传感器的构建。研究结果表明,Au/WS2 QCs修饰电极对H2O2检测还表现良好的电化学协同催化效果。在最佳条件下,Au/WS2 QCs检测H2O2的线性范围是0.05μmol/L37.6656 mmol/L,检测限为0.0185μmol/L（S/N=3）。此外,由于其具有良好的电催化活性,易于制备、良好的稳定性和选择性,该传感器成功实现了PC12细胞释放H2O2的高灵敏、快速、准确的检测。因此,本实验构建的无酶传感平台不仅可为研究其它量子点复合材料在电催化方面的性能和高灵敏度检测H2O2的电化学生物传感提供良好的研究基础,也为生理学和病理学等领域的研究提供了良好的研究工作平台。

关键词： 聚偏氟乙烯   全氟磺酸离聚物   石墨烯量子点   高压结晶   压电性能  

摘要： 自1969年发现聚偏氟乙烯(PVDF)具有压电性以来,其在电子元件器的应用已经引起了众多科学家的关注。PVDF具有5种晶型,其压电性能主要与极性的β晶型有关。在得到β晶型PVDF的诸多方法中,通过高压高温结晶得到的β相PVDF,其晶体结晶程度较完善,缺陷较少,且结晶度高,因此具有良好的压电性能。因此,研究在高压下PVDF的结晶行为具有特别重要的意义。压电材料可以实现机械能与电能的相互转换,目前已被广泛应用于传感器、换能器和医学等领域。高分子压电材料具有机械柔韧性好、原材料成本低、制备过程简单和器件电绝缘性能好等优势,但其相对较低的介电系数和压电系数限制了其应用。另外,一些传统高分子压电材料如多孔聚丙烯等加工过程复杂,且需经高电压极化方可具备应用价值。高电压极化过程会带来一系列的问题,如过多能源消耗,不安全,以及样品的击穿报废等。因而,必需开发出性能更优异的高分子压电材料以拓展其应用领域。本论文利用溶液成膜法制备了分散均匀的聚偏氟乙烯/全氟磺酸离聚物(PVDF/Nafion)和聚偏氟乙烯/全氟磺酸离聚物/石墨烯量子点(PVDF/Nafion/GQDs)复合材料,并改变制备实验条件,通过DSC、WAXD、ATR.-FTIR 和 SEM 等表征手段,研究了 PVDF/Nafion 和 PVDF/Nafion/GQDs 复合材料的高压结晶行为;此外,本文还制作了 PVDF/Nafion二元复合材料压电传感器(PNDPG)和PVDF/Nafion/GQDs三元复合材料压电传感器(PNGDPG),并对其压电性能和压电机理进行了研究。主要实验结论如下:(1)PVDF/Nafion复合材料的高压结晶行为研究PVDF/Nafion复合材料蚀刻后的孔洞分布状态表明,Nafion可经溶液浇铸成膜法均匀分散于PVDF基体中。高压下升高PVDF/Nafion结晶温度有利于PVDFα晶体向β和γ晶体转变,特别是当结晶温度在260℃及以上时,样品中只存在β和γ晶体,不存在α晶体;当结晶压力为500MPa时,样品的结晶度较高,生成的PVDFβ晶体含量较多;此外,在结晶压力为400MPa和500MPa条件下,试样还得到少量伸直链β晶体;(2)PVDF/Nafion复合材料的压电性能研究针对传统压电驻极体的缺陷及其在研究和应用中的瓶颈,并基于PVDF/Nafion二元复合体系的高压加工及表征结果,制备了不同Nafion含量的新型PVDF/Nafion动态压电传感器(PNDPG),其在260℃及400MPa条件下保温10min高压结晶,均生成大量的β晶体,并无需高电压极化处理,即可高效率地将不同频率及幅度的动态机械能转换为电能。PNDPG的工作机理为固有微观偶极子和填充的Nafion结构的宏观偶极子之间的协同作用;当Nafion含量为50%时,PNDPG有最优异的压电性能,在没有极化的情况下,其输出电压达到了 7.4V,相应的电压输出密度达到了 14.6Vcm-2,性能超过了当前大部分压电聚合物;增加刺激力的大小以及增加频率能使PNDPG的压电性能提升;同时PNDPG表现了很好的稳定性和持续性。(3)PVDF/Nafion/GQDs三元复合材料高压结晶行为和压电性能的研究TEM的观察结果表明:GQDs基本能均匀分散在PVDF/Nafion基体中,但也小部分的团聚,团聚的尺寸在100nm以内。高压结晶结果表明:在结晶温度为230℃和245℃时,PVDF/Nafion/GQDs样品中可得到大量α晶体,而当结晶温度在260℃及以上时,样品中基本只有β和γ晶体;当压力为400MPa和500MPa时,样品的结晶度最高;在260℃和400MPa条件下分别保温10min、30min和60min时,样品中均可得到大量伸直链晶体;同时在加入GQDs质量分数为0.5%、1%和3%的样品中,均生成了大量一维纳米线结构。压电性能测试表明:在大小为60N、频率为5Hz的力的作用下,未加入GQDs的PVDF/Nafion动态压电传感器能产生50nA的短路电流和3.8V的开路电压,而加入GQDs质量分数3%的PVDF/Nafion/GQDs三元复合材料动态压电传感器(PNGDPG)则能产生58nA的短路电流和5.0V的开路电压;在蒸馏水或10%浓度NaCl溶液中浸泡20h后,PNGDPG短路电流输出增大;PNGDPG样品的短路电流输出随测试次数的增加逐渐下降,在重复约20000次后,压电输出开始稳定。