关键词： 聚芳醚腈   碳纳米管   石墨烯   电磁屏蔽  

摘要： 随着高新技术的高质量发展,电磁波的泄露将会严重影响仪器设备的各项性能和安全。因此,社会迫切需要电磁屏蔽材料屏蔽电磁波的干扰,以保证精密仪器的稳定运行和数据安全。传统的金属基电磁屏蔽材料存在着重量大、无法长期使用和易造成电磁波二次污染等缺点无法满足当今轻质和环保的电磁防护需求,已逐渐被聚合物基电磁屏蔽材料所取代。 聚芳醚腈（PEN）属于一类特种工程塑料,因其独特的结构:刚性苯环和极性的氰基,在耐腐蚀和耐极端环境等方面具有显著的优势。基于此,本文开发了一种简单且连续的工艺路线,借助PEN薄膜的双重形态,辅以真空抽滤和热压成型的方法,制备了一系列高效的PEN/碳材料层状纳米复合薄膜以有效屏蔽电磁波干扰。具体研究内容如下: （1）本文先从分子设计的角度出发,合成了双酚A型聚芳醚腈。随后,利用湿法相转化、真空抽滤和热压成型等方法成功制备了层状纳米复合薄膜,重点研究了其在电磁屏蔽能力、热稳定性、耐酸碱性和力学性能等方面的表现。结果表明,在整个X波段,厚度仅为0.26 mm的复合薄膜的EMI SE可达30 d B。此外,吸波系数（A）可显著提高到0.93,表现出出色的吸收主导型屏蔽机制。由于采用了特种高分子作为基体,层状纳米复合薄膜具有优异的热稳定性(Td5=512°C)、超强的拉伸强度（69 MPa）和优秀的疏水能力（103°）。值得注意的是,在强酸、强碱和高温等模拟恶劣环境下,该复合薄膜的电磁屏蔽性能和机械性能仍表现出卓越的稳定性,显示出良好的长期使用寿命。 （2）为进一步获得更高效、轻薄的电磁屏蔽复合薄膜,合成了三种不同类型的聚芳醚腈。为优化性能,将酚酞型聚芳醚腈作为基体膜,含氟型聚芳醚腈作为封层膜。此外,本章节还重点探索了最佳的双组分碳填料配比和其协同作用机制对电磁屏蔽性能的影响。结果表明,该材料在厚度仅为0.05 mm时,EMI SE最高可达35 d B,SE/t高达6250 d B/cm。该层状复合薄膜屏蔽电磁波是以吸收电磁波为主导的机制,对环境友好。基于特种高分子PEN,该复合材料还兼具良好的热稳定性（Tg=256℃）、耐酸碱能力和疏水性能（145°）等优势。

关键词： 石墨烯   锂离子电池   集流体   导电添加剂   电化学沉积  

摘要： 随着现代电子产品和新能源汽车行业的发展,锂离子电池（LIBs）被要求拥有更高的容量,倍率性能以及循环稳定性,集流体作为锂离子电池的重要组成部分,用于负载电极材料,收集并传输电流,对LIBs的性能起着很重要的作用。铝箔由于其高导电性,稳定的电化学及化学性能,低廉的价格,已经成为正极集流体中应用最为广泛的材料,然而,铝箔作为集流体依然面临着许多问题,裸铝箔光滑的表面导致电极材料与集流体之间的接触面积和附着力十分有限,不仅导致界面接触电阻增加进而引发电池出现极化现象,而且加剧了电池循环过程中电极材料脱落的风险,最终加速电池容量的衰减。同时,裸铝箔在长期充放电循环过程中与电解液之间发生腐蚀现象,上述问题导致裸铝箔难以满足高性能LIBs的工作要求。石墨烯具有大的比表面积,高的电导率与机械强度,耐腐蚀等特征,将其作为涂层应用到集流体中具有很大的研究价值与应用前景,鉴于此。本文以水系石墨烯浆料为原料,通过改变添加剂的种类和含量制备出不同的复合石墨烯导电浆料,并将其涂布在集流体上得到石墨烯改性集流体,研究不同改性集流体的物理与电化学性能,本文的主要工作内容及结论如下: （1）采用电化学剥离法制备水系石墨烯分散浆料（0.05 mg/m L）,采用XRD、TEM、Raman等表征手段对其形貌和物相进行分析可得其为高质量薄层石墨烯。通过向其中分别添加微片石墨烯（MG）和科琴黑（KB）制备出水性复合石墨烯导电浆料KB-AGD,MG-AGD,将其涂布在铝箔上得到MG-AGD-Al-CCs和KB-AGD-Al-CCs,分析其物理性能可得,MG-AGD-Al-CCs在室温条件下拥有52.0S/m的电导率,同时其机械强度高达253 MPa,与电解液以及LFP正极浆料的接触角分别为14.2°和14.8°,优于KB-AGD-Al-CCs和商业涂碳铝箔。电化学性能测试结果表明,MG-AGD-Al-CCs在0.1 C倍率下拥有154.4 m Ah/g的比容量,在5 C和10 C的高电流密度下依然分别有着118 m Ah/g和92.5 m Ah/g的比容量,容量保持率分别为83.7%和81.2%。 （2）采用电化学沉积法在碳纸（CF）上沉淀金属镍（Ni）制备三维集流体Ni-CF-CCs。通过调控电化学沉积电流密度和时间,制备出沉积不同厚度镍的三维集流体,并将前文制备的最佳石墨烯复合导电浆料涂布在其中得到MG-Ni-CF-CCs。采用XRD、SEM、EDS、AFM等表征手段对其进行形貌和物相分析,发现当电镀电流密度与电镀时间改变时,镀层的厚度、粗糙度以及电导率也随之变化,当电镀电流密度为20 m A/cm2,电镀时间为20 min时,呈现最好的镀层效果,在室温下其电导率为5.3 S/cm,与电解液的接触角为12.1°,电化学性能测试结果表明MG-Ni-CF-CCs较Ni-CF-CCs拥有更高的充电截止电压,石墨烯涂层的引入改善了金属镍在高电位下的腐蚀现象,同时其在0.1 C倍率下拥有160 m Ah/g的比容量,在5 C和10 C倍率下分别有120.7 m Ah/g和108.2 m Ah/g的比容量,容量保持率分别为85.9%和80.8%。

关键词： 电磁干扰屏蔽   激光诱导石墨烯   镍纳米颗粒   柔性可拉伸   可调谐电磁干扰屏蔽效能  

摘要： 现代通讯技术和设备的快速崛起,不可避免会带来大量的电磁波污染。面对不断提高的电磁波防护需求,必须不断发展和设计高效、可靠的电磁波屏蔽装置,即电磁干扰(EMI)屏蔽材料,它可以有效吸收和反射电磁波,以达到电磁防护作用。然而,以金属材料为代表的EMI屏蔽材料受限于密度高,加工困难,刚性和不可变形性而逐渐淘汰,新一代柔性可穿戴电子设备的快速崛起给传统的电磁干扰屏蔽材料带来了巨大的冲击。此外,复杂的电磁保护系统和未来智能生活场景对EMI屏蔽材料的智能化响应提出了更高的要求。因此,研究高性能,柔性和可调谐屏蔽效率(SE)的智能EMI屏蔽材料在多功能电磁防护材料领域具有重要的研究意义和实际的应用价值。 本文将镍纳米颗粒(NiNPs)掺杂的激光诱导石墨烯(Laser-induced graphene,LIG)转移到弹性体上,制备了柔性可拉伸的弹性复合薄膜。通过改变激光参数调控了LIG的宏观导电网络结构,使用脉冲电沉积法在三维多孔石墨烯内沉积NiNPs,获得了高效、致密的导电网络。这种高浓度导电通道的复合材料在弹性基体上的拉伸释放循环过程中,使得导电网络发生有序的分离和接触,改变了电导率,因此具有拉伸实时可调谐的EMI屏蔽性能。本文系统研究了石墨烯/镍/硅胶弹性复合材料在不同拉伸应变下的EMI SE。同时,深入探讨了石墨烯弹性复合材料在不同拉伸应变下的EMI屏蔽机理。 结果表明:石墨烯的导电网络结构和NiNPs的含量对弹性复合体的EMI SE和拉伸循环稳定性具有显著的影响,激光单次扫描制备的石墨烯在X波段的EMI SE为21.25d B,在200%拉伸应变释放后SE为8.51 d B,保留率40.0%,而双重扫描制备的石墨烯结晶度更高,导电网络更加密集,因此双重扫描石墨烯EMI SE为25.43 d B,释放后SE达到了16.82 d B,保留率66.1%。在三维多孔石墨烯内进一步负载NiNPs后,NiNPs导电损耗和磁损耗的协同作用使得弹性复合材料的EMI SE达到了73.27 d B,随着拉伸应变不断增大到200%,表现出68.12-2.33 d B宽泛可调的SE,即便经历了100次拉伸释放循环也保留了88%的SE。通过对不同应变下的电磁屏蔽机理研究表明,随着拉伸应变的增大,平行于拉伸方向的石墨烯逐渐分离,从而降低了电导率,结合屏蔽体缝隙的变化,导致电磁屏蔽效能逐渐降低。释放后,由于石墨烯和NiNPs双高效导电路径的有效接触,电导率也逐渐升高,屏蔽效能恢复到较高的水平。可以预见的是,这种柔性,可拉伸和可调节SE的EMI屏蔽薄膜在穿戴式电子设备和智能化电磁屏蔽场景中具有广泛的应用前景。

关键词： 石墨烯量子点   碳纳米管   忆阻器   混沌系统   混沌加密  

摘要： 在互联网大数据时代背景下,数据泄露很容易形成指数级扩散,带来的更是雪崩式的个人信息曝光。近年来的数据泄露产生的社会恶劣情节像网络诈骗和电信诈骗等备受人们关注,诈骗团队对受害人个人信息的掌握是受害人容易轻信受骗的关键原因。因此,利用加密算法对数据流的传递和获取实现数据加密以保证数据安全具有价值。而混沌加密算法具有轨迹行为长时间不可预测性以及对系统状态微弱变化高度敏感的混沌特性使得其与传统加密算法相比更难以被预测分析,是未来加密算法领域的重要研究方向。同时,基于非线性特征对系统混沌特性的重要影响,新型非线性电子元件——忆阻器被学者们关注,并被应用于与传统混沌系统结合,实现了忆阻器混沌系统的构建。 本文主要利用直流磁控溅射技术和旋涂法制备了铝(Al)/石墨烯量子点(GQDs)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/氧化铟锡(ITO)忆阻器,通过在中间机制层掺杂多壁碳纳米管(MWCNTs)实现了器件性能的优化,并研究其特殊非线性电学特性在混沌系统中的应用。通过电子显微镜和拉曼光谱分别对器件材料进行了表征分析,对忆阻器的工作机理模式进行了分析讨论,通过数据表现证明了忆阻器的电荷俘获内在机制。探索了掺杂MWCNTs的忆阻器性能优化的原因。提供了一种提高忆阻器性能重复稳定性的调制方式。 通过掺杂MWCNTs忆阻器的非线性电学特性数据拟合曲线与经典Lü三维混沌系统结合,构建了Lü-忆阻器混沌系统,表现出新的奇异吸引子现象。基于Lü-忆阻器混沌系统利用混沌加密算法实现对灰度图片和彩色图片的数据加密,更好的隐藏相邻像素之间的相关信息,表现出良好的加密效果。研究了Lü-忆阻器混沌系统的未知混沌特性以及不同的忆阻器特性参数对系统混沌特性及加密算法的影响。本论文基于忆阻器非理想的电学特性作为新混沌系统的非线性项,探索其未知的混沌行为研究,对混沌理论的发展以及忆阻器在混沌领域应用的现实推进具有重要意义。

关键词： 非线性   等离激元共振   光学双稳   时间演化行为  

摘要： 电磁波散射方向的控制在纳米天线、传感器、存储器等全光器件的设计中具有重要的应用价值。而基于贵金属材料构成的二聚体结构的固有损耗降低等离激元质量且可调性低,本文的重点研究是基于非线性等离激元石墨烯材料的光学非线性效应和时间演化行为。通过色散关系法确定非线性动力学特征方程组,探讨体系的光学双稳性以及随时间演化的动力学特性,并讨论纳米天线在信息加密和解密中的应用。具体研究内容如下: 1.本文选择石墨烯材料替代金属材料,设计了一个由Kerr型非线性石墨烯包裹两个不同半径的介电颗粒构成的二聚体结构。接着调节结构参数和入射电场的频率,使相互作用的电偶极矩产生合适的相位差,达到单向散射,并通过在入射背景电场叠加高斯脉冲,来实现两种散射模式(背向散射与全向散射)之间的动态切换。石墨烯包介电颗粒模型考虑到介电颗粒和石墨烯的相互作用,其共振频率与多个参数均有关,可调性更高。此外,相对于金属材料,石墨烯由于其等离激元共振频率更高,因此转换方向所需的响应时间更短,约为2.32ps。 2.本文研究了石墨烯包裹纳米介电颗粒二聚体的近场和远场特性。基于偶极-偶极近似,证明了二聚体的不同耦合模式将导致其近场增强谱中不同的Fano共振线性,当二聚体中石墨烯包裹的纳米球具有不同的半径时,二聚体体系的对称性被破坏,在近场增强光谱中出现Fano共振。并且二聚体的Fano共振强度、位置随着小颗粒半径的不同而产生变化。这有助于选出二聚体模型中两颗粒合适的半径差值,有助于接下来光学性质的研究。 3.本文利用上述模型组成的纳米天线进行信息的加密解密与传输,将所需传输的信息以某种特定的方式转换为二进制编码。在二进制编码中,每个字符、符号或数字被映射为一个固定长度的二进制序列。将纳米天线的两种散射态分别用“0”态和“1”态来标识,那么这组二进制编码,就是需要的散射态的序列。根据该序列,在发射端外加一组连续变化的方波信号,使得纳米天线的散射态依次变化。而另一端便可以通过接收到的散射信号,根据密钥解密得到这组二进制编码的序列,再由此解译出发射的信息。

关键词： 石墨烯   二维材料   太赫兹探测器  

摘要： 太赫兹波一般是指波长介于30μm到3 mm之间的电磁波。其频段介于微波和光学频带之间,在应用上与之互补,因而在基础科学研究、生物学和医学科学、无损评估和国土安全等领域均展示出应用潜力。然而,目前太赫兹探测技术的发展仍不充分,由于太赫兹波光子能量小,在常温下以光子形式进行探测较难,其频率比微波较高,也超出了微波探测器件的带宽。常用的探测器（如高莱盒、热释电探测器等）尚无法同时覆盖高灵敏度、超快响应速度、高动态响应范围、可室温操作等要求,因此寻找新的探测材料及探测原理,作针对性器件设计,是当前该领域的研究重点之一。 石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化轨道键合而成的二维原子晶体,具有线性能带和零带隙的特点,在室温下有超高的载流子迁移率,超快的光电子弛豫速度（1 ps量级）,超宽带的吸收光谱（从可见光-红外-太赫兹范围）,因此有望成为太赫兹探测材料之一。然而由于石墨烯的光学吸收率较低、光电子弛豫速度快,导致石墨烯探测器的光电响应度较低,本论文针对此问题,从增强太赫兹波吸收和促进光生载流子分离的角度出发,采用天线/栅极一体化设计,构筑了石墨烯太赫兹探测器,通过研究探测器在不同光强、偏振入射太赫兹波下的探测指标,明晰了所设计探测器的工作机制。具体研究内容包括以下四个部分: （1）中红外-太赫兹光电测试系统的构筑 为了研究石墨烯太赫兹探测器的工作机制,本工作设计并搭建了一个覆盖中红外至太赫兹波段的光电流测试系统。系统采用可见、中红外、太赫兹三个波段的激光器作为光源,可分析同一器件在不同波段下的光电响应,为解释器件工作机制提供依据;系统采用锁相放大技术以实现光电信号的精准表征;采用基于python的QTlab软件包,通过编写仪器交互程序、测量程序,实现对自动化位移台、电学测量设备等硬件的同步和互联,获取器件在不同波段下的光电流空间分布,为后续研究提供测试平台。 创新点:通过自主搭建光电测试平台,可研究同一器件在可见光、中红外、太赫兹波入射下的光电响应特征,分析器件性能随波长的演化规律。 （2）天线/栅极一体化石墨烯室温太赫兹探测器 本工作基于石墨烯中的光热电效应特征,采用天线/栅极一体化设计方案:利用天线增强石墨烯对太赫兹波的吸收,同时在吸收热点原位构筑塞贝克系数梯度,促进光生载流子的有效分离。在设计中,利用有限元数值模拟与实测数据相互反馈的方法,确定器件的结构尺寸,利用微纳加工方法构筑了相应的器件。所构筑的典型器件在2.7 THz太赫兹波入射下,灵敏度达到1 nW·Hz-1/2量级,探测速度大于5 kHz。在该设计下,器件工作不需要在源漏处施加偏压,因此可降低石墨烯器件噪声水平。该工作为基于石墨烯材料的太赫兹探测技术提供可行的设计方案。 创新点:采用蝶形天线/栅极结构,将光场汇聚至石墨烯窄沟道,提升热电子温度,在热点处原位构筑塞贝克系数梯度,使光生载流子产生、分离区域重合,以有效增加光生载流子的分离效率,实现无偏压下的低噪声太赫兹探测。 （3）石墨烯太赫兹偏振探测器 太赫兹波的偏振态携带其所作用样品的介电函数及其空间分布信息,对太赫兹偏振态的检测,可增加其在医学成像、无损检测等领域的探测维度。本工作基于石墨烯pn结太赫兹波探测的理论模型,并以“可集成化”为前提,针对化学气相沉积法（CVD）制备的石墨烯,优化器件的制备工艺,针对线偏振光、圆偏振设计了不同结构的天线/栅极,所制备的器件圆偏振消光比达到10,实现了对入射太赫兹波偏振态的有效检测。 创新点:设计了针对线偏振、左旋、右旋圆偏振太赫兹波的天线/栅极结构,优化了CVD石墨烯与介电层之间的界面工艺,为太赫兹波段的阵列集成提出了解决方案。 （4）基于辐射热原理的石墨烯探测器 作为上述“光子型”探测器的补充,本文探索了基于辐射热原理的石墨烯探测器:器件采用垂直取向石墨烯/氧化铟锡复合结构作为探测材料,石墨烯层在吸收辐射热后,温度上升,进而影响器件电阻,在偏置电压下显示为电流的变化。所构筑的辐射热型探测器对红外光显示出较高的光电响应。本工作提出了一种基于垂直取向石墨烯材料实现高性能光电器件的新方法。 创新点:提出了可利用“垂直取向石墨烯/氧化铟锡复合结构”作为辐射热探测材料。