关键词： 第一性原理   石墨烯/黑磷烯异质结   电子结构   光学性质  

摘要： 本文采用基于密度泛函的第一性原理方法,设计了非金属元素（B、C、N、O、Si、S）掺杂本征石墨烯/黑磷烯（G/BP）异质结、金属元素（Ti、Mg、Be）掺杂及吸附G/BP异质结以及不同元素（B、N、Ti、Mg）掺杂在P缺陷和C缺陷G/BP异质结的结构。通过分析稳定体系的形成能、能带、态密度、功函数、Bader电荷、磁矩等得到体系的电磁性质,通过分析不同稳定体系的介电函数、吸收系数、能量损失函数等得到体系的光学性质。本文的主要研究内容和研究结果为: （1）本征G/BP异质结是由石墨烯和黑磷烯依靠弱范德瓦尔斯力结合的一种无磁性半导体,晶格失配打破了石墨烯的空间反演对称性,在狄拉克点打开一个很小的带隙约为0.05 eV。Bader电荷分析表明,0.012 e的电荷从黑磷烯层转移到石墨烯层。本征G/BP异质结界面产生静电势差为1.969 eV,表明形成了一个从黑磷烯层指向石墨烯层的内置电场。C、O、Si、S元素的掺杂使得能带穿过费米能级,表现出金属性质,B@P和N@P是直接带隙半导体,带隙为0.046 eV和0.043 eV;O和Si元素掺杂使得异质结有了磁性。Bader电荷分析表明,B和Si原子掺杂时失去电子,其他元素掺杂时得到电子。C@P、O@P以及Si@P的静电势差得到了增大,异质结的内置电场得到了增强。G/BP异质结具有明显的各向异性光学特性,在平行和垂直极化方向,介电函数分别表现出金属和半导体性质。因此非金属元素的掺杂为G/BP异质结在电子器件中的应用提供有力的支持。 （2）设计了金属元素（Ti、Mg、Be）掺杂及吸附G/BP异质结的结构,通过形成能及吸附能的计算得到了稳定结构。Mg-BP H为直接带隙半导体,带隙为0.038 eV。其余结构能带穿过费米能级,表现出金属性质。Ti-BP、Ti-BP T、Ti-GB、Ti-In B1、Mg-G、Mg-G T、Be-G T和Be-In H这八种体系具有了磁性,其中Ti-GB磁性最大,磁矩为2.315μB。Bader电荷分析表明,掺杂原子Ti、Mg和Be均失去电子,Be-G中Be失去电子最多,其电荷转移为-1.591 e。Ti-GB的功函数最小,为4.001 eV,增加了系统的自由电子数和电导率。Mg-BP静电势差最大为3.533 eV,内置电场得到了增强。光学性质研究表明,Ti-GB在可见光范围内具有较大的光吸收系数。金属元素掺杂为G/BP异质结电子器件的设计提供依据。 （3）构建P缺陷G/BP异质结和C缺陷G/BP异质结,并对B、N、Mg、Ti四种元素掺杂两种缺陷异质结的光电性质进行研究。结果表明VP-Ti@P、VC-Ti@C两种结构形成能最低。VP狄拉克点向上移动,VC狄拉克点消失。VP-Ti@P和VC-N@C是直接带隙半导体,带隙分别为0.045 eV和0.199 eV。VC、VP-B@P、VC-B@C、VC-N@C、VC-Mg@C体系具有了磁性,其中VC的磁性最大,磁矩为1.063μB。Bader电荷分析表明,VP-N@P、VC-N@C两种情况下N元素都得到电子,其余6种体系掺杂元素都失去电子。对于掺杂缺陷异质结的静电势分析表明,VP-Ti@P功函数最小,为4.390 eV,表明其电导率最大。VC-Mg@C和VC-Ti@C的静电势石墨烯层高于黑磷烯层,其内置电场方向与本征G/BP异质结相反,异质结内部形成了一个由石墨烯层指向黑磷烯层的内置电场。掺杂及缺陷能有效调节异质结的光电性质,在可见光区域VC、VC-Mg@C光吸收系数增加。缺陷的引入为设计高性能、高集成度的光电器件提供理论指导。

关键词： 热管理   石墨烯   水性涂料   动力学  

摘要： 电子产品和通讯设备的散热问题已成为制约产品集成化的关键瓶颈。随着技术的不断进步,设备尺寸不断缩小,产生的热量却不断增加,这使得散热问题愈发突出。为了解决这一问题,高性能热管理材料应运而生,成为行业研究的热点。其中,导热涂层作为一种高效、便捷的热管理方案,备受关注。通过在设备表面涂抹导热涂层,可以有效提高设备的散热效率,降低因过热而引发的故障。 本文首先以液相剥离法制备出石墨烯溶胶,接着以制备好的石墨烯溶胶作为导热涂层的导热填料,将其分散在高分子聚合物中制备出两种不同体系的石墨烯导热涂层（无溶剂型、水性）,最后分析了水性导热涂料的固化过程动力学,具体的研究内容如下: （1）石墨烯溶胶的制备:以膨胀石墨为原料,在自制的循环式超声粉碎机中采用液相剥离的方式成功制备出石墨烯溶胶,制备的石墨烯片径大小约为1-2微米,厚约为2-3层石墨烯。 （2）石墨烯/环氧导热涂层的制备:以上述制备的石墨烯作为导热填料,采用相反转的方式分散在环氧树脂中,在不锈钢基材上成功制备出石墨烯高导热涂层。研究发现,不同石墨烯含量的涂层材料散热性能有显著差异,当石墨烯添加量为9%时,导热率高达5.822 W·m-1·K-1,可快速实现散热。考虑散热涂层的实际工况,对涂层的综合性能进行测试,其耐腐蚀性能优异,且具有优异的耐交变温差性能。在实验条件下,对不锈钢基材,涂覆导热涂层后,其散热效果显著提高,相比于无涂层空白试样,室温下传热过程的最大温差可达5℃,零下80℃条件下的最大温差可达16℃。 （3）石墨烯水性导热涂层的制备:以上述制备的石墨烯作为功能添加材料,采用机械搅拌的方式分散在自制的水性乳液中,在不锈钢基材上成功制备了石墨烯水性导热涂层,用于增强散热效果。当石墨烯添加量为15%时,导热率高达9.499W·m-1·K-1,可快速实现散热。考虑散热涂层的实际工况,对涂层的综合性能进行测试,其耐腐蚀性能优异,且具有优异的耐交变温差性能。在实验条件下,对不锈钢基材,涂覆导热涂层后,其散热效果显著提高,相比于无涂层空白试样,室温下传热过程的最大温差可达11℃,零下80℃条件下的最大温差可达19℃。 （4）石墨烯水性导热涂层动力学分析:采用非等温DSC法分析了石墨烯水性导热涂料固化过程中的动力学,通过极值法和等转化率法分析该固化过程的表观活化能在75-80 k J/mol之间,通过分析转化率与反应速率之间的变化曲线推测该固化过程符合自催化模型,最后选取了两种自催化模型对石墨烯导热涂料固化过程中动力学变化进行了分析,发现Zhang-jin-Dong模型可以较好的描述该固化反应的动力学过程。

关键词： 可重构纳米天线   波束调控   吸收调控   超表面   石墨烯  

摘要： 随着纳米科技的迅猛发展与光学天线设计理念的深入探索,可重构纳米天线作为一种前沿技术,正在逐步展现出其独特的优势和应用潜力。可重构手段作为一种关键性的技术支持,使得天线的性能可以在不同工作需求下实现灵活调整和优化,特别是在近红外和太赫兹波段,可重构光学天线能够充分发挥其独特的波束控制、频谱响应以及能量利用效率,为实现高速、高效的无线通信和信息处理提供了强有力的支撑。本文结合可重构纳米天线多种实现方式,从发射天线和接收天线的不同需求出发,设计了三种具备动态可重构能力的新型可重构纳米光学天线,三个工作分别如下: 一、为了实现发射天线在近红外1550nm波段的辐射方向动态控制的能力,本文利用八木纳米天线结合单层石墨烯设计了一种具备波束动态可重构能力的天线。结合数值计算与仿真模拟,验证了石墨烯在方形硅介质天线上的良好调控能力,通过对其电化学势能从0 eV到0.8 eV的改变,实现了对天线波束方向180°调节,以及在几种天线工作模式下均超过90%的辐射效率。优化了石墨烯在天线上的表面分布,在将其覆盖面积减少3倍的同时,还实现了对天线方向系数以及波瓣宽度的提升。最后本文在介质天线中加入金属蝶形天线,通过选择合适的蝶形天线参数,大大增强了光源与天线整体的耦合强度,从而将方向系数从6.3 dBi提升至7 dBi。该方向可重构天线在近红外波段具备良好的动态波束调控能力,并且制备工艺简单。 二、为实现接收天线在近红外1550nm波段对入射光的动态选择性吸收,本文基于超表面结构,结合临界耦合薄膜增强吸收理论设计了一种在近红外具备吸收可重构能力的反射阵列式天线。通过选择合适的Ag-SiO2混合前透镜结构参数,实现了对薄膜材料石墨烯在近红外的吸收性质的极大增强,将超表面结构从原本的2.3%吸收率提升到了接近100%完美吸收。通过增加狭缝结构的对称性,对入射光场极高局域化耦合,将其束缚在狭缝结构与薄膜层相接处,实现了在近红外1550nm以及1910nm的双完美吸收,同时吸收峰的半波宽度不超过57 nm,属于窄带吸收,具备一定的抗干扰能力。并且该天线可以通过电化学势能动态的调控双吸收峰,实现了对吸收效率最大接近94%的调制深度,说明了该天线在近红外波段具备非常好的抗干扰,以及高灵敏探测性能。 三、为了拓展可重构天线工作的应用前景,本文将其工作场景拓展到了太赫兹波段,并且加入了温控相变材料VO2作为可重构天线的调控机制,大大提高了天线的调控自由度,最终设计了一种在太赫兹波段具备宽带混合可重构特性的超表面天线。该超表面天线的单元结构由多种金属介电混合材料堆叠嵌合组成,仿真结果表明,通过切换VO2的状态,太赫兹超表面天线可以在三波段吸收和超宽带吸收之间可逆转换,当VO2处于金属态时,实现了带宽为1.56THz的超宽带吸收,对应于3.21～4.77 THz的频率范围;当VO2处于介电态时,得到了太赫兹波段的三带吸收,三个吸收带的中心频率和吸光度分别为1.29THz 和 94.2%、3.94THz 和 99.9%、6.56THz 和 95.3%。并且VO2处于任意状态下时,都可再利用石墨烯的电化学势能对天线吸收峰进行调制,这种具有宽带吸收以及混合可调控能力的太赫兹光学天线,丰富了太赫兹波段的光学调控方法,对于拓展光学纳米天线的应用前景有着促进作用。

关键词： 太赫兹   超表面   生物传感   石墨烯   纳米银  

摘要： 太赫兹波是频率位于微波与红外光之间的电磁波,特殊的电磁频谱位置使其在高速通信、医疗安全和生物传感等领域具有广阔的发展前途和应用前景。然而,天然的材料与太赫兹波之间产生的相互作用和电磁响应是有限的,阻碍了新型的太赫兹光学器件的发展。超表面是人工合成的亚波长介电单元,可以利用特殊的结构设计来实现任意电磁波段的高效响应,使其在太赫兹传感、慢光器件和通讯等领域具有良好的应用前景。在生物传感领域,由于超表面对太赫兹波的局域增强,可以对太赫兹波的检测信号进行放大,因此,超材料已经成为太赫兹波段中的高灵敏度和无损检测的有利工具。在目前的太赫兹超表面传感的应用中,虽然可以直接对生物分子检测,但这种方法的灵敏度非常低,无法实现有效的检测效果。因此如何提高太赫兹生物传感器的灵敏度与检测范围成为目前急需解决的问题。为了提高超表面的检测效果,本文以超表面作为检测平台,结合新型的功能材料和纳米材料实现了低损耗、高灵敏的生物传感器。主要内容如下: (1)利用电磁仿真软件设计并模拟了太赫兹波段的多功能器件。使用二氧化钒和狄拉克半金属,通过外加激励信号改变有源材料的电导率实现了超表面由窄带吸收到宽带吸收切换。在窄带吸收时,模拟了超表面作为传感器的灵敏度,检测灵敏度可以到达402 GHz/RIU;在宽带吸收时,超表面在2.34-6.28 THz范围内的吸收率达到90%,这为动态调控超表面提供了一种新的研究思路。 (2)通过石墨烯与超表面的结合,并利用石墨烯中的π电子可以与苯环分子中的π电子相互作用的原理,设计了一种具有超灵敏特性的太赫兹超表面生物传感器,当酪氨酸作为被检测物质添加在超表面上时,由于石墨烯的掺杂效果使得传感器的透射率会随着添加的酪氨酸的浓度变化而变化,最低检测浓度为26.43fg/m L,而检测不具有苯环分子的精氨酸时的最低检测浓度为581.4 fg/m L,并通过引入石墨烯狄拉克点与费米能级的关系解释了传感器曲线随检测物浓度变化的关系。 (3)设计并制备了一种基于纳米银颗粒的超表面生物传感器,用于定性检测啶虫脒,由于纳米银颗粒的尖端效应,使得超表面的局域电场增强,使太赫兹波与分析物之间的相互作用增强,达到提升传感器灵敏度的效果。另外研究了10μL、20μL、30μL和40μL这四种不同含量的纳米银溶液对啶虫脒检测的影响。当纳米银溶液的浓度为30μL时,该超表面传感器的振幅变化更为明显,可检测低至100 pg/ml的啶虫脒溶液,实现了超灵敏检测。 图[33]表[4]参考文献[162]

关键词： CuFe合金   石墨烯   复合材料   强度   延展性  

摘要： IC引线框架作为电子元件的重要组成部分,其引线材料的性能对器件的稳定性和可靠性有着直接影响。CuFe合金因其低成本、原材料丰富和特殊物理性能而被广泛应用于集成电路引线框架传统材料,然而CuFe合金在导电性、延展性和强度之间往往存在矛盾。石墨烯作为一种具有优异导电性和机械性能的二维材料,被广泛认为是解决性能矛盾的有效途径,已有研究表明加入石墨烯可以显著提升复合材料的导电性,但石墨烯对于复合材料的强度和延展性影响机制尚不明确。因此,本文选择了具有较高强度的非晶态CuFe3作为研究对象,旨在获得高强度高延展性的非晶态CuFe3/石墨烯复合材料。 首先,探究石墨烯嵌入方式对非晶态CuFe3强度和塑性的影响。通过快速凝固获得非晶态CuFe3,分别在非晶态CuFe3中沿拉伸方向插入半片石墨烯、一片石墨烯,其中插入一片石墨烯的情况可分为锯齿型与扶手椅型两种,利用分子动力学模拟方法探讨这三种嵌入方式对非晶态CuFe3的力学性能差异,研究发现石墨烯沿Z方向为锯齿型的嵌入方式对非晶CuFe3的强度提升作用最为明显。 其次,探究不同厚度晶态Cu3Fe对非晶态CuFe3的强度和塑性的影响。尝试在非晶CuFe3中引入除石墨烯以外的第二相——晶态Cu3Fe,探究不同厚度晶态Cu3Fe对非晶态CuFe3强度和塑性的影响。研究发现,晶体/非晶界面可以抑制非晶层中剪切转变区的传播,提高复合材料的屈服应力,晶体层中形成的Hirth位错可以有效的阻碍位错的滑移,提升复合材料的强度;晶体层厚度较厚的模型中固定位错含量更高,在塑性变形阶段可以有效的抵挡复合材料的断裂失效,进而提升其延展性。 最后,探究石墨烯和晶态Cu3Fe对非晶态CuFe3的共同强化机制。搭建包含石墨烯、晶态Cu3Fe以及非晶态CuFe3三种结构的复合材料模型,并且调控比例,得到多组不同体积比的“Cu3Fe/石墨烯/CuFe3”复合材料。研究发现,晶态Cu3Fe和石墨烯在非晶CuFe3中的嵌入使得复合材料强度大幅度提升,晶态Cu3Fe厚度的越厚,复合材料的强度提升越明显。对于晶体层厚度较厚的复合材料而言,由于石墨烯断裂后晶体层中产生了大量的位错,位错的产生和湮灭使得材料当中不易形成较大的剪切带,从而展现出较好的延展性。

关键词： 聚合物光波导   板级光互连   模分复用   垂直耦合器   石墨烯  

摘要： 聚合物光波导器件既具备微小尺寸、极低损耗、成本经济等特点,也具有高速率、大传输容量、免受电磁干扰等优势,对于板级光互连光链路中的模分复用技术及其系统而言,其具有广泛的应用前景。通过操控、引导光传输线路或光电集成电路中光信号的传输、分配和处理,可以有效地克服板级电互连方式在互连速率、互连容量、互连距离以及可靠性、稳定性和能耗等方面的问题,成为当前研究的重点。为了建立灵活性高、密度大、功能复杂的模分复用系统,研究用于实现复用、分光、光路切换等功能的高性能聚合物光波导器件至关重要,可以进一步提高板级光互连光链路中数据信息传输的容量和效率。 本文针对板级光互连光链路中的模分复用技术及其系统,对增大数据信息传输容量以克服“带宽瓶颈”问题的模式（解）复用器和实现光路灵活切换的热光模式开关展开研究,对器件进行结构设计和传输性能分析。主要研究内容如下: 1.提出了一种基于级联锥形垂直耦合器的聚合物模式（解）复用器。首先,利用有效折射率法分析矩形波导的模式,计算矩形波导在不同宽度下支持传输的模式的有效折射率,以确定波导尺寸,并构建基于级联锥形垂直耦合器的模式（解）复用器的结构模型。然后,通过光束传播法分析锥形垂直耦合器的结构参数对模式转换的影响,以优化器件的尺寸,并计算模式（解）复用器的模式耦合效率、消光比等性能指标。计算结果表明,在1.54μm-1.63μm（C+L波段）内,针对TE和TM偏振状态,E11模式与E12模式、E11模式与E21模式之间的耦合效率分别大于95.4%（96.1%）、92.1%（92.3%）,消光比分别大于18.9 dB（19.3 dB）、13.6 dB（13.8 dB）,额外损耗分别小于0.18 dB（0.20 dB）、0.35 dB（0.34 dB）,具有弱的偏振相关性和良好的波长跟随性。 2.提出了一种基于级联垂直非对称定向耦合器的热光模式开关,并将石墨烯（Graphene）作为电极材料掩埋到聚合物光波导的包层,实现了E11模式与E12、E22模式的高效、低能耗可控切换。首先,计算并分析矩形波导模式的有效折射率,以确定波导尺寸。然后利用有限元法和光束传播法对器件进行分析,以优化器件的结构参数,并分析模式耦合效率、消光比、串扰等性能指标。计算结果表明,在1.53μm-1.57μm（C波段）内,针对TE和TM偏振状态,E11模式与E12模式、E11模式与E22模式的耦合效率分别大于99.1%（99.3%）和97.1%（97.8%）,消光比均大于33 dB。两个加热电极的功率均小于5.3 m W,开关响应时间均小于103μs。

关键词： 断路器触头   石墨烯增强   抗烧蚀   耐磨损   分子模拟  

摘要： 高压断路器作为输电线路中控制电流接通与分断的关键设备,已成为新能源并网与大电网安全稳定运行的重要物理支撑。铜钨合金被广泛应用于高压断路器触头中,但随着电力系统不断向高压大容量发展,对触头材料的抗烧蚀及耐磨损性能提出了更高需求。石墨烯因具有独特优异的电、热、力学性能而在金属基复合增强材料中获得广泛应用,这为现役高压断路器用铜基复合电触头材料性能进一步改进提供了新的技术途径。目前关于石墨烯对金属基体材料抗烧蚀及耐磨损性能的影响研究开展较少,且对石墨烯微观组织结构与宏观电学、力学性能之间的关联机制缺乏系统的认知。本文利用分子模拟仿真与实验观测手段,对石墨烯增强铜钨合金抗烧蚀性能的相变演化机制、石墨烯增强铜钨合金耐磨损性能的位错动力学机制、改性铜钨合金触头样品试制以及服役性能评估方法开展了系统研究,可为高压断路器铜钨触头材料抗烧蚀耐磨损性能的增强设计提供理论依据与方法支撑。 为厘清石墨烯增强铜钨合金触头抗烧蚀性能的相变演化机制,纳入实际铜钨触头材料的微观组织结构,构建了符合“假合金”特征的铜钨合金复合模型;同时,考虑电弧对触头阳极、阴极的不同作用形式,引入双温模型耦合分子动力学模拟方法,建立了铜钨合金触头阳极、阴极电弧烧蚀的损伤模型;以电弧侵蚀深度、级联损伤程度以及损失质量作为评估烧蚀程度的微观表征量,其中0.15wt%掺杂石墨烯铜钨复合模型比CuW80的损失质量降低10.7%,电弧侵蚀深度降低92.6%,级联损伤程度降低62.4%,由材料内部固液相变、内部缺陷损伤的演变过程,揭示了石墨烯对铜钨合金触头抗烧蚀性能的微观增强机制。 石墨烯增强铜钨合金材料的位错动力学演化过程与耐磨损性能密切相关。通过构建铜钨合金触头材料的摩擦磨损复合模型,建立了弹性模量、摩擦系数、纳米压痕硬度等耐磨损性能微观表征量的计算方法,分析了石墨烯质量分数、温度、摩擦速度等因素对铜钨合金复合材料耐磨损性能的影响,改性材料的弹性模量、硬度及摩擦系数最高可提升1 06.3%、62.6%、11.1%;进一步,从材料微观结构层面研究了摩擦过程中的原子运动过程、内部应力分布以及位错动态演变特征,揭示了石墨烯增强铜钨合金耐磨损性能的微观机制。 在上述研究基础上,制备了石墨烯增强改性的铜钨合金触头样品,并开展了性能评估。提出了石墨烯增强铜钨合金触头材料的成分配比设计,并针对石墨烯掺杂优选了制备工艺流程,对比分析了不同石墨烯掺杂含量下密度、致密度、电导率、热导率、硬度和抗弯强度等物理性能的变化规律以及微观表面组织的形貌特征;进一步,搭建了石墨烯增强改性铜钨合金触头样品燃弧测试平台,针对电弧烧蚀与机械摩擦磨损性能进行了实验考核,获取了表面形貌、损失质量、接触电阻、磨损率及摩擦系数等服役性能参量的变化特性,改性触头材料的损失质量、接触电阻、磨损率和摩擦系数分别降低了 20.6%、40.6%、35.9%、17.6%,提出了改性铜钨合金触头样品的多因子评估方法,给出了铜钨合金触头样品材料电弧烧蚀与机械磨损的综合性能指标。