关键词： 石墨烯   HfOx薄膜   ZnO薄膜   光电探测器   磁控溅射  

摘要： 随着光电探测器在物联网技术、智能制造、大数据技术及自动驾驶等领域的广泛应用,要求信息采集的光电传感器的速度更快、尺寸更小、对弱信号的探测能力更强。而传统光电探测器的性能进一步提升面临局限。石墨烯以极高电子迁移率、全光谱响应、优良的光学特性成为了提升光电探测器性能的候选材料。基于石墨烯/硅异质结光电探测器更是表现出了优异的探测度、响应范围、开关比、响应速度等特性,同时石墨烯/硅异质结光电探测器工艺简单、可批量生产、具有成本优势,在光电探测器应用领域有着良好的应用前景。然而,石墨烯的零带隙特征使得Gr/Si光电探测器暗电流较大,不利于对弱信号的探测。为此,本文研究了引入HfOx和ZnO两种界面层来降低Gr/Si光电探测器的暗电流,改善Gr/Si光电探测器对弱信号的分辨探测能力。 首先,研究了引入磁控溅射制备的HfOx对Gr/Si光电探测器性能的影响。研究结果表明,在HfOx厚度为2.1 nm时构建的Gr/HfOx/Si光电探测器的性能最佳。与未引入HfOx的Gr/Si光电探测器相比,Gr/HfOx/Si光电探测器暗电流下降了10.6倍,响应度提高了1.95倍,探测度增加了8倍以上,噪声等效功率也降低了两个数量级,量子效率提升了45.4%。性能的改善主要得益于HfOx界面层的引入使得Gr/Si光电探测器的肖特基势垒高度从0.70 e V提升至0.75 e V,高的势垒高度抑制了载流子隧穿,降低了暗电流。同时,磁控溅射制备的氧化铪为非化学计量比HfO1.64,HfOx界面层中存在的氧空位或缺陷可为载流子提供导电通道,使得Gr/HfOx/Si光电探测器光电流增加了54.9%。 其次,研究了引入磁控溅射制备的ZnO对Gr/Si光电探测器性能的影响。研究结果表明,ZnO界面层在10.5 nm时Gr/ZnO/Si光电探测器的性能最佳。引入ZnO界面层后,Gr/Si光电探测器的暗电流下降了3.84倍,在460 nm波长的光照下,光电流和探测度分别提升了2.50倍和4.87倍,量子效率也提高了46.2%。此外。暗电流的降低主要是由于ZnO界面层的引入使得Gr/Si肖特基势垒高度从0.70e V提升至0.73 e V。此外,ZnO的引入显著提升了Gr/Si光电探测器在低波长范围的探测能力。在400 nm入射光波长下,Gr/Si光电探测器的光电流增加了5.66倍,响应度提升了23.4倍,量子效率增加了69.25%,低波段探测能力得到了指数级提升。

关键词： 石墨烯增强Cu基复合材料   激光切割   温度   热传导   应力  

摘要： 在经济全球化的背景下,材料性能轻量化技术在产品制造中提出了更高的要求,石墨烯增强Cu基复合材料由于具有高刚度、高模量、高强度、轻质等特点,已被广泛用于工业生产,但其制备、加工、切割还存在工艺不成熟、加工切割难等问题。目前,石墨烯增强Cu基复合材料主要依靠传统机械加工,该工艺在切割过程中,刀具易发生磨损降低加工效率及精度、复合材料极易发生剥离、加工之后的材料性能退化问题,无法达到工业化应用的要求。 近几年,激光用于材料的加工切割已受到人们的普遍关注,也为石墨烯增强Cu基复合材料的加工工艺开辟了一条新的路径。人们利用高能量密度的激光,精确定位加工区域、精准控制激光能量及作用时间,将材料快速加热熔融或气化,达到精确的加工效果。与普通机加工相比,激光加工精度高,加工速度快,制造成本低。在石墨烯增强Cu基复合材料的激光切割过程中,由于Cu合金与树脂材料在导热系数、密度等关键力、热性能上存在显著差异,会引发复合材料在界面处开裂、剥离,激光光斑中心较高温度导致树脂迅速气化,触发显著的相变引起的材料形变和分裂。为了解决上述问题,本文主要研究内容如下: (1)对激光加工石墨烯增强Cu基复合材料过程中温度扩散与传递、应力产生与作用机理进行探索和研究。利用热流传导公式和导热边界条件,以及有限元网格剖分的策略,构建激光切割热源模型的分析方法。 (2)应用仿真模拟分析激光加工石墨烯增强Cu基复合材料过程中温度场分布、应力场分布及相变情况。探索激光与石墨烯增强Cu基复合材料相互作用时温度场传导及变化规律。掌握激光平均功率、峰值功率、光斑行进速率、脉冲重复频率、脉冲宽度、焦点离焦量等工艺参数的优化配置。 (3)对石墨烯增强Cu基复合材料样品进行切割实验,获得实验HAZ样图并进行切割效果分析,结合仿真数据优化激光切割工艺参数:激光波长1080 nm、激光平均功率252 W、峰值功率1800 W、光斑行进速率18 mm/s、脉冲频率1400HZ、脉宽0.1 ms、焦点光斑半径0.3 mm,再次实验结果分析,样品材料的切割质量得到较大的提高。 以上研究一定程度上解决了石墨烯增强Cu基复合材料在激光在切割过程中由于工艺参数设置不当,导致热积累破坏材料组织结构的问题,为优化切割工艺、有效控制HAZ的宽度和切缝的质量做了有意义的探索。

关键词： 太赫兹   石墨烯   吸波器   超材料   宽带吸收  

摘要： 太赫兹波具有宽频带、无损性、光谱分辨等特性,在通信、天文学、生物检测和安全检查等领域都具有着巨大潜力。自然界中存在许多可以调控电磁波的材料,但是一般的天然材料很难在太赫兹波段中有电磁响应。随着超材料的提出,极大的改变了太赫兹技术的研究现状。特别是对于太赫兹频段下天然材料响应较弱的问题,超材料因其广泛的频谱响应而具有明显的优势。超材料吸波器是集成太赫兹系统的功能组件之一。在宽带太赫兹传感和调制器件、宽带抗反射膜以及其它宽带太赫兹探测器件等许多应用中,都需要可调谐的宽带超材料吸波器。因此,研究具有可调谐和高吸收特性的宽带太赫兹吸波器具有重大的实际应用意义。本文的主要研究内容如下: (1)提出了一种基于单层石墨烯图案的可调谐宽带太赫兹吸波器。该吸波器由金衬底、TOPAS介电层和图案化石墨烯层组成。在3.31 THz～7.15 THz之间表现出了90%以上的高吸收率,相对带宽为73.4%;在3.81 THz到6.6THz之间,吸收率高于99%,相对带宽为53.6%。器件具有优异的吸波性能,源于表面等离子激元和电磁偶极子共振。改变石墨烯的费米能级可以灵活地调控宽带吸收光谱。由于其独立可调谐性和宽带高吸收率,在太赫兹成像、智能吸收、探测器和通信领域具有潜在的应用前景。 (2)设计了一种基于双层六边形石墨烯的可调谐宽带太赫兹吸波器。当石墨烯的费米能级达到一定程度时,入射的太赫兹波会激发两层石墨烯之间的堆叠效应和杂化效应,从而得到超宽带的近完美吸收性能。正常入射下,在2.31 THz～3.92 THz吸收超过99%,吸收率大于90%(1.91 THz～4.45 THz)的吸收带宽可达2.54 THz,实现80%相对带宽。首先,可以通过调节外加偏置电压改变石墨烯的费米能级实现吸波器的主动调控。其次,可以通过改变吸波器的结构参数实现对吸波性能包括吸波带宽和谐振频率的被动调控。同时,由于石墨烯微结构的对称性和深亚波长响应,所提出的吸波器对于太赫兹波的入射角和极化都不敏感。为了定量验证所提吸波器的性能,应用干涉理论和阻抗匹配理论对数值模拟结果进行了分析,模拟吸收光谱与理论计算结果基本一致,为在太赫兹和其他频域实现宽带可调谐吸波器件提供了一种新器件和新方法。

关键词： 硒化银   电学性能   热导率   掺杂   复合第二相  

摘要： 近年来蓬勃发展的柔性电子产品具有广阔的市场,其中可穿戴和医疗植入设备迫切需要环保,稳定,长寿命的电源。柔性热电材料及其器件由于能够直接附着于热源表面并将热能转化为电能,而受到广泛关注,有望能够应用于柔性电子供能。α-Ag2Se是一种极具潜力的室温热电材料,具有载流子迁移率高、带隙窄、晶格热导率低等特点。但其本征高载流子浓度所导致的高载流子热导率和低塞贝克系数影响了其热电性能的进一步提高。此外,较低的柔性也限制了其在柔性电子领域的应用。 针对这些问题,本工作通过在石墨烯片层-硒化银纳米线-银纳米球三元多维复合材料中构建包覆/网格复合界面,以实现对硒化银热电性能和柔性的协同优化。 材料与器件的制备采用逐级构建的优化思路实现。首先以二氧化硒为原料制备长径比均一的硒纳米线(NWs),并以此为模板与不同比例的银离子反应,以形成一系列化学计量比各异的银硒纳米线,从而实现对基体材料载流子浓度的调控,并得出最优化学计量比x=2.25,对应功率因子达819μWm-1K-2。 然后,通过水热法将石墨烯(GR)与性能最佳的Ag2.25SeNWs进行不同量级的复合,在微观尺度上构建了形态各异的第二相-基体复合界面,进一步提升了样品的热电性能和柔性。之后,通过真空辅助沉积和冷/热压(H/CP)工艺对溶液进行成膜处理,并对薄膜进行性能测试从而获得最优复合比y=0.25,对应功率因子可达1643 μWm-1K-2,较纯相样品提升118.5%,且具有增强的柔性。为了进一步研究复合薄膜的热电性能,将复合薄膜组装成柔性三腿热电发电机,在50 K的温差下,其最大输出功率为～1.5μW,对应功率密度为20.4Wm-2,标准化最大功率密度为664μW m-1K-2,处于同类型研究领先水平。 本研究探究了硒化银材料的优化机理,为无机/碳纳米复合热电材料制备和微观界面构筑提供了一定思路。

关键词： 湿度传感器   氧化石墨烯   聚乙烯醇   纳米纤维   呼吸监测  

摘要： 呼吸监测对于评估人类健康很重要,但大多数传感器结构和过程都有些复杂。近年来,石墨烯因较高的载流子迁移率、较大的比表面引起了研究人员的关注。氧化石墨烯（GO）作为石墨烯的衍生物,层中富含亲水羟基、环氧树脂、羧基等基团,利用水分子吸附和解吸后亲水基团电导率的变化,能够实现对湿度的快速响应。聚乙烯醇（PVA）是一种生物相容性好的水溶性聚合物也含有大量的亲水基团,能够更好的与水结合,通过静电纺丝PVA作为支架与GO相结合,增加与水的接触面积进而更好的对湿度进行响应。本论文结合静电纺丝法、真空蒸镀法和溶液旋涂法,针对人体呼吸监测对于湿度传感器的需求,制备了电阻型GO湿度传感器以及PVA/GO湿度传感器,制备得到的传感器具有优异的湿敏性能,并成功应用于人体呼吸等生理信号监测。 （1）旋涂GO薄膜的制备及湿敏性能的研究,用旋涂法制备了具有底部和顶部连接结构的GO传感器对湿度的响应,用于呼吸监测。在GO浓度为25 mg/m L和50mg/m L时,底部连接结构的传感器的电流分别增加了132.97%和2077.55%。这两种类型的传感器都可以实现对湿度(40%-80%的相对湿度（RH）)的响应。然而,底部连接的传感器在80%RH下的响应率为96.25%,灵敏度为131.33%/RH。在湿度的实时监测中,底部连接的传感器具有良好的重复性及稳定性。传感器可以区分不同的呼吸模式,并检测目标的呼吸频率/深度。 （2）无序静电纺丝PVA/GO复合薄膜的制备及湿敏性能的研究,提出了基于无序PVA纳米纤维支架的GO湿度传感器。通过调整静电纺丝时间,得到了不同密度的无序PVA纳米纤维层。然后,用旋涂法在无序PVA纳米纤维上沉积GO薄膜。由于无序PVA纳米纤维使GO薄膜的分布增加,复合薄膜的电学性能得到了改善。无序PVA/GO湿度传感器在40%-80%的相对湿度范围内表现出良好的响应度。在湿度为80%RH的情况下,传感器的响应达到98.44%。PVA/GO传感器在不同湿度水平下具有良好的稳定性。PVA/GO传感器也可用于不同状态下的呼吸监测。该传感器在呼吸系统检测和疾病分析中具有良好的应用前景。 （3）有序静电纺丝PVA/GO复合薄膜的制备及湿敏性能的研究,提出了一种使用带倾斜狭缝的自制接收板进行PVA有序静电纺丝,GO薄膜为敏感层的高性能湿度传感器。有序PVA纳米纤维都具有增加GO薄膜电流的作用,可以促进GO传感器的电荷传输。有序纺丝PVA/GO电流随湿度水平的增加而逐渐增大。响应度也有良好的指数依赖性,R为0.9998。在50%RH及80%RH条件下,有序PVA/GO传感器的响应度分别为70.72%及99.75%。有序纺丝PVA/GO复合薄膜比传统的单层GO薄膜及无序PVA/GO传感器具有更高的响应度。说明有序PVA纳米纤维和GO相结合增加了更多的活性位点,有利于水分子的多层物理吸附,有序纺丝PVA/GO传感器能有效地响应人类不同的呼吸模式,通过响应电流峰值的深度与强度能够识别出口腔和鼻子的交替呼吸模式及朗读不同词语时的呼吸变化。

关键词： 直接乙醇燃料电池   乙醇氧化   电催化剂   金属有机框架   石墨烯  

摘要： 直接乙醇燃料电池（DEFC）的催化剂主要用于促进乙醇的氧化和氧气的还原反应。目前,DEFC的催化剂存在一些问题,包括成本高、电催化活性不高、长期稳定性差、抗中毒能力低以及可持续性方面的挑战。为了解决这些问题,研究人员正着手通过设计新结构、优化合成方法、开发复合材料等途径,推动DEFC催化剂的进一步发展和应用。本文的目标是通过改进催化剂载体和调整催化剂组成成分来提高催化剂的催化活性和长期稳定性,并探究其电化学性能。 首先,通过直接热解ZIF-8制备出氮掺杂多孔碳骨架结构（CMF）,并以CMF作为支撑,制备了不同比例的PdBi@CMF催化剂。这种独特的载体结构和N元素的掺杂十分有利于PdBi合金的均匀分布以及电子传输。电化学测试结果表明,与商业Pd/C相比,PdBi@CMF催化剂展现出优异的催化活性和长期稳定性,尤其是Pd3Bi1@CMF催化剂其峰值电流密度达到1.92 A/mgPd。旋转圆盘电极（RDE）测试结果表明,PdBi@CMF催化剂具有优越的乙醇氧化反应动力学,且该反应是扩散控制的过程。 其次,通过高温退火处理制备了掺杂微量磷元素的石墨烯（P-rGO）,并以此为载体,通过硼氢化钠还原Pd,得到了Pd@P-rGO催化剂。其中,Pd@P3-rGO催化剂在碱性条件下的乙醇氧化反应中表现出卓越的性能,其质量活性达到2.53 A/mgPd,是商业Pd/C(0.86 A/mgPd)的2.9倍。在经过300次电位循环和1500 s计时电流测试后,与商业Pd/C相比,Pd@P3-rGO催化剂同样展现出了优异的长期稳定性。同时,CO溶出伏安法和RDE测试结果表明,Pd@P3-rGO的抗CO中毒能力优于商业Pd/C,并且展现出显著的乙醇氧化反应动力学。 最后,采用了两步法,在室温下制备了以硅烷改性氧化石墨烯（NH2-GO）为载体的新型Pd Ni催化剂。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱（Raman）等方法对Pd Ni@NH2-GO催化剂进行了详尽的分析。在碱性条件下,电化学测试结果显示,Pd7Ni1@NH2-GO催化剂的质量活性达到了2.72 A/mgPd,是商业Pd/C的1.9倍。通过CO溶出伏安测试和RDE分析可知,Pd7Ni1@NH2-GO催化剂具有优异的抗CO中毒能力,并且具有更好的乙醇氧化动力学。