关键词： 自由电子辐射   渡越辐射   Kerker效应   人工光学结构   石墨烯   折射率近零材料   磁性超材料  

摘要： 当自由电子穿过光学界面或者非均匀区域时,会产生光辐射,即所谓的自由电子渡越辐射。自由电子渡越辐射作为一类典型的自由电子辐射,由苏联科学家VitalyGinzburg和Ilya Frank于1945年首次理论提出。经过近八十年发展,其已在诸多领域有广泛应用,例如高能粒子探测、X射线/太赫兹光源、医学成像、物质结构分析等。 然而,由于自由电子与常规材料相互作用弱,产生的自由电子渡越辐射往往强度弱、光子提取效率低、方向性差,难以调控。这一关键科学问题极大限制了自由电子渡越辐射的更多潜在应用,尤其是在微纳光学和芯片等领域。 随着微纳加工工艺的发展和电磁材料设计范式的革新,以光子晶体、超材料、超表面、二维材料、增益材料、扭曲光学材料等为代表的一大批人工光学结构应运而生。这些人工光学结构具有传统自然界材料所不拥有的电磁响应,不仅为调控光与物质相互作用提供了新途径,也为调控自由电子渡越辐射提供了丰富的材料库,有望催生诸多自由电子渡越辐射调控的新机制、新方法。 鉴于此,本文深入研究了基于二维材料、折射率近零材料和磁性超材料的自由电子渡越辐射调控,探索了增强自由电子渡越辐射强度、提高自由电子渡越辐射光子提取效率、调控自由电子渡越辐射方向性的新方法,为设计基于自由电子渡越辐射的小型化高能粒子探测器和片上光源等新型自由电子光学器件奠定了一定的理论基础。 本文的创新性研究成果如下: 1.提出了利用二维材料动态调控自由电子渡越辐射近/远场强度的途径。当自由电子与单层石墨烯相互作用时,通过利用静电偏压调控石墨烯化学势可实现对自由电子渡越辐射特性的动态调控,发现低速电子更易激发石墨烯等离极化激元,而高速电子更倾向于激发光子辐射。 2.揭示了利用折射率近零材料实现高效率自由电子渡越辐射的机理。当自由电子穿过折射率近零材料时,利用远低于光速(千分之一光速)的电子可产生与高速(近光速)电子同样强度的渡越辐射,有效提升光子提取效率至少8个数量级,即产生所谓的高效率自由电子渡越辐射现象。该现象与常规渡越辐射强度一般随电子速度降低而显著衰减大不相同,有望为设计基于低能电子的片上集成光源提供新的途径。 3.发现了磁性超材料中自由电子Kerker渡越辐射的现象。通过研究高速电子与深亚波长厚度材料的相互作用,发现自由电子Kerker渡越辐射与常规渡越辐射极大不同。一方面,自由电子Kerker渡越辐射的后向辐射可被有效抑制、使得前向辐射占主导,而常规渡越辐射的前、后向辐射强度相当。另一方面,自由电子Kerker渡越辐射峰值可出现在大角度(大于50度),而常规渡越辐射的峰值一般只出现在小角度(小于10度)。这些特征能将电子与辐射光子的轨迹分开,防止高能电子束对光探测器的损害,指导小型化自由电子渡越辐射光学器件的设计。

关键词： 氧化石墨烯(GO)   重复利用率   解吸   重金属  

摘要： 氧化石墨烯(GO)表面负载的大量含氧官能团使其具有较强的吸附能力，在去除废水中污染物方面有很好的应用前景。但由于GO价格较高且鲜有重复利用，限制其应用规模。以GO对重金属离子铬的吸附为基础，研究了解吸影响因素及其重复利用效果。研究结果表明GO和解吸剂都具有良好的重复利用效果。

关键词： 石墨烯   中药   热疗   胸衣  

摘要： 文章基于石墨烯发热织物技术在女性内衣设计中的创新应用，指出通过中药外敷结合红外线理疗的方案在乳腺疾病治疗领域展现出了其独特的治疗优势。文章以中药热敷胸衣为例，利用石墨烯发热织物通电加热功能，实现对药物包的加温，从而对女性胸部进行有效的热敷治疗。在此基础上，设计了一款集石墨烯发热织物与理疗控制系统于一体的智能型中药热敷理疗胸衣，进一步指出了石墨烯发热织物在智能化中药热敷理疗服装领域中的潜在发展趋势。

摘要： 近日，来自吉林大学、中国科学院金属研究所、国家深空探测实验室、国家航天局探月与航天工程中心等单位的科研人员通过对嫦娥五号钻采岩屑月壤的观察分析，首次发现了天然形成的少层石墨烯。这一发现为月球的地质活动和演变历史以及月球的环境特点提供了新见解。

关键词： 石墨烯   硅   图像传感器   宽光谱成像   单像素成像  

摘要： 宽光谱探测器和宽光谱成像技术作为现代光电技术中的重要组成部分,其发展历程充分体现了人类对自然界深入观察与理解的不断追求,如今已被广泛应用于遥感检测、农业监测、矿物探查、医疗诊断等一系列领域。由于石墨烯/硅(Gr/Si)光电探测器具有宽光谱探测、高灵敏度和高响应速度等优势,在成像领域具有广阔的应用前景。 本文主要研究内容为基于石墨烯/硅光电探测器的宽光谱单像素成像系统的研究,包括:基于石墨烯/硅光电探测器的紫外-可见-近红外的宽光谱单像素成像系统、X射线单像素成像系统以及多光谱单像素成像系统。单像素成像为新型宽光谱光电探测器提供了一种低成本且高效的成像方案,通过以时间换空间的方式,解决新型宽光谱传感器阵列制备难度大、均一性不可控的问题,提高图像的成像效率和重建质量。本文主要研究工作如下: (1)制备化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)石墨烯/硅和宏观组装石墨烯(Macroscopic Assembled Graphene Nanofilm,MAG)/硅光电探测器并测试和分析了其特性,基于此提出了一种基于石墨烯/硅光电探测器的宽光谱单像素成像系统并完成系统的搭建,包括成像系统光路、数字微镜阵列和数据采集的同步控制以及测量数据的处理,实现375 nm～1342 nm下64×40像素的宽光谱成像,验证了该系统在宽光谱下的成像能力。同时使用并改进基于图像全变分的迭代收缩阈值法(Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm-Total Variation,ISTA-TV)算法和ISTA-net算法,实现单像素成像的图像重建,定量的分析了两种不同算法的优劣。该系统拓宽了传统单像素成像的波段范围,同时为新型宽光谱传感器的成像提供了一种有效的解决方案。 (2)提出了一种基于石墨烯/硅光电探测器的X射线单像素成像系统,在实验室中搭建了该成像系统,包括252个28×28像素的哈达玛镂空不锈钢编码的设计与定制,并使用步进电机同步控制编码的选择及数据的采集,实现使用单个探测器在X射线源下对金属图案进行单像素成像,使用ISTA-TV算法,同时设计并训练了一种端到端的卷积神经网络,实现图像重建,对比了两种图像重建算法的优劣,最终实现了一种低剂量、低成本的X射线成像。 (3)探索基于石墨烯/硅光电探测器的宽光谱单像素成像在光谱维度的重建,设计了基于扫频激光器的多光谱单像素成像系统,并提出了一种结合了石墨烯/硅宽光谱光电探测器在不同波长下的响应度特性曲线的ISTA-TV算法,实现光谱图像的数据采集与重建,实现了宽波段、低成本、集成化的光谱成像,降低了光谱成像对复杂光学元件和探测器阵列的依赖。

关键词： 太赫兹   石墨烯   传感器   超材料   Fano共振  

摘要： 太赫兹波（Terahertz,THz）因其高穿透、低能量和非电离等特性,在传感领域有着重要的应用价值。然而,由于很多天然材料不能与太赫兹波发生相互作用,这给太赫兹传感技术的发展增加了阻力。随着超材料的出现,极大的改善了这种情况,研究者们将太赫兹波与超材料结合,利用超材料对太赫兹波的局域电场增强效应和对外界介电性质变化的敏感性,可以显著提高传感器的传感性能,也为太赫兹传感器的研究开辟了新的途径。目前传统的金属超材料传感器存在着成本高、金属损耗大以及不能主动调谐的缺陷,极大的限制了其适用范围。石墨烯是一种具有轻薄、高导电性、高电子迁移率和可主动调谐性的二维材料,在太赫兹波段表现出独特的电磁响应特性。本文以石墨烯为设计载体,提出并设计了两种太赫兹超材料传感器,实现对太赫兹波的主动调控。通过采用双频带或多频带的设计方法,使得传感器的共振峰能够与样本的特征频率进行多点匹配,从而提高传感的准确度和稳定性。另外,设计具有更高阶谐振模式的传感结构,进一步提高传感器的性能,使其能够满足更多样化的传感需求。本文的主要研究内容包括以下两部分: （1）提出了一种基于石墨烯的可调谐双频太赫兹传感器。该传感器由金属底层、中间介质层和顶部四条单层石墨烯带组成。数值模拟结果显示,所提出的传感器在2.58THz和6.07 THz处分别表现出两个显著的吸收峰,吸收率分别接近100%和98%,相对应的品质因子（Quality Factor,Q）分别为11.8和29.6。通过调整外部电压,可以改变石墨烯的费米能级,从而实现对双频吸收峰的动态调谐。通过分析电场和电流分布情况,对双频吸收峰的谐振机理进行探究。为验证该器件的实际应用价值,研究并分析了不同种类分析物样本的太赫兹响应,通过研究吸收峰的频移程度,实现对样本的精准检测。当分析物达到一定厚度时,可以忽略厚度对传感器性能的影响,确保了传感的稳定性。传感器双频吸收峰的灵敏度分别为714 GHz/RIU和1.627 THz/RIU（Refractive Index Unit,RIU）。所提出的传感器在太赫兹材料表征、医学诊断和环境监测领域具有广泛的应用价值。 （2）提出了一种基于石墨烯Fano共振的太赫兹传感器。该传感器表面由多个不同尺寸的石墨烯带组成,通过石墨烯带之间的干涉作用产生了典型的非对称性Fano共振峰。利用Fano共振在结构表面产生的近场耦合,增强分析物与太赫兹波之间的相互作用,能够有效降低辐射损耗,提高传感性能。通过分析电场和电流分布对传感器在该点处的谐振机理进行解释说明,并探究了Fano共振的产生机制。另外,通过改变石墨烯的费米能级,实现对传感器共振频率的主动调谐。所设计的折射率传感器在折射率为1到1.6的范围内具有良好的检测性能,其最大灵敏度、Q值和FOM值（Figure of Merit,FOM）分别为1760 GHz/RIU、31.02和8.1 RIU-1。所设计的太赫兹传感器不仅结构简单,并且具有出色的传感性能,在生物医学和样本检测方面有着重要的应用潜力。

关键词： 钢桥面铺装   环氧树脂   固化机理   环氧沥青   路用性能  

摘要： 近年来,环氧沥青混凝土(EAC)因其卓越的力学和耐疲劳特性已被广泛地用于钢桥面的铺设。但EAC韧性差,固化后质脆,易导致早期开裂,影响铺装整体性和桥梁寿命。因此,对环氧沥青基体树脂进行增韧改性是解决问题的关键。虽然氧化石墨烯等纳米粒子能够提升树脂的韧性,但其表面的化学惰性和较弱的界面粘附力使得其应用受到了限制。采用超支化聚酯对氧化石墨烯进行修饰,并制备出具有不同支化度的修饰氧化石墨烯/环氧树脂,进一步探讨了增韧效果以及固化机理。并用其制备了九组不同树脂掺量的改性环氧沥青,确定了最佳掺配比,制备混合料评价了其路用性能,主要结论如下: (1)通过直接接枝法,合成了四组不同的超支化聚酯修饰氧化石墨烯(GO)材料,对制备的四种超支化聚酯接枝修饰GO-H201、GO-H202、GO-H203、GO-H204进行研究,利用FTIR、XPS、TGA和TEM等手段,证实超支化聚酯成功接枝至GO表面。研究还发现,随着超支化聚酯支化度提高,GO管径增大。将GO及所制备的复合材料加入环氧树脂中,进行力学性能和SEM分析。结果显示,超支化聚酯端基链端支化度提高,对环氧树脂增韧性能显著改善。 (2)利用广义二维相关红外光谱分别对纯环氧树脂(EP)、氧化石墨烯/环氧树脂(EP/GO)、超支化聚酯/氧化石墨烯/环氧树脂(EP/GO-H204)三种树脂体系固化机理进行了详细的分析,结果显示,纯EP体系的固化过程主要是由环氧树脂与伯胺基反应引起的,环氧树脂生成了新的羟基和C-H键。而EP/GO体系在固化时,GO在树脂中无法较好分散,降低了与环氧树脂的反应进展;而EP/GO-H204由于引入聚酯,端羟基或端胺基与环氧树脂发生化学反应,解决了GO分散性不佳的问题,同时极大提升了树脂的韧性。 (3)以EP/GO-H204为主剂的基础上、高温固化剂、基质沥青为原材料,制备了不同树脂掺量的超支化氧化石墨烯改性环氧沥青,并对其进行了拉伸、旋转粘度以及荧光显微试验分别研究了不同环氧树脂掺量环氧沥青的拉伸性能、粘温性能以及微观形貌,结合实验结果,确定制备混合料时固化剂、EP/GO-H204以及基质沥青比例为2:3:5,最佳拌合温度为180℃。 (4)选用马歇尔试验,确定了超支化聚酯修饰氧化石墨烯改性环氧沥青混合料的最佳油石比为6.5%。通过一系常规室内试验来评估其路用性能,并与其他两种环氧沥青混合料进行对比。经过实验证明,超支化氧化石墨烯改性环氧沥青混合料的性能达到了钢桥面铺装的规定标准,并且与其他两种环氧沥青混合料相比,它在低温变形方面表现出色。这也说明通过在环氧中掺入超支化聚酯改性的氧化石墨烯能有效提升混合料的低温抗裂性能,从而解决环氧沥青混合料的抗低温能力差,早期易开裂的问题。