关键词： 超表面   类电磁诱导透明   慢光效应   石墨烯自组装膜   激光诱导石墨烯  

摘要： 超材料,自问世以来,便彻底刷新人们对光学材料的固有认知。超表面,作为超材料的二维结构,进一步优化了对电磁波的控制能力。在此研究领域中,一个新兴热点是探索内部结构之间的相互作用,以灵活调控电磁波。其中,基于超表面的电磁诱导透明现象（又称类EIT,Electromagnetically Induced Transparency-like,EIT-like）是代表性工作之一,其关键在于内部微观结构能以特定方式相互影响,从而在宏观上表现出特殊的电磁响应,如透明窗口的形成。 当前,类EIT效应已在太赫兹和微波通信领域得到广泛应用,并且研究人员正在探索低成本、高效率、易于加工的方法实现类EIT超表面,同时寻求进一步提高其可调性和应用灵活性的途径。在这一背景下,本研究采用激光制备技术,对石墨烯超表面进行加工,不仅提高了石墨烯超表面的制备效率和精度,而且通过对石墨烯微观结构的精确调控,实现了对类EIT现象的有效操控。本文主要研究内容如下: （1）设计并制备了一种互补结构类EIT超表面。首先通过打破结构对称性,在0.509 THz处实现了类EIT谐振,反射率高达0.91。通过耦合双振子模型拟合,并观测磁场分布与表面电流分布,揭示了透明窗口的产生机理。随后,研究了器件在反射峰处的群延时,群延时高达9.93 ps。利用激光烧蚀技术在石墨烯自组装膜上制备了高质量、大面积的超表面（8×8 cm2）,并对其进行了THz性能的实验测试,进一步验证类EIT效应。该工作为开发新型慢光器件超表面提供了新思路。 （2）提出了一种偏振相关型类EIT超表面,采用多对开口谐振环单元结构,并利用单元对称的超表面在0.337 THz和0.621 THz实现了偏振相关类EIT窗口。进一步建立耦合模型和谐振模式的近场分布,对类EIT的形成过程进行分析。同时也模拟讨论了多极展开理论,计算分析各极子散射能量,验证电偶极子间的相互作用关系,并通过相位计算获得不同偏振下的群延时分别为3.65 ps和7.43 ps。最后理论分析其传感性能,发现其对变化的分析物光学参数敏感,因此该超表面有望应用于生物传感器件中。 （3）利用非对称开口谐振环设计了一款石墨烯基类EIT超表面。通过激光诱导石墨烯工艺,快速制备高质量的图案化定制超表面（10×10 cm2）。该超表面成功激发了26.4 GHz处类EIT谐振,实现了约0.9的高透射率。深入研究双振子模型、电磁场和表面电流分布,并探讨实现类EIT效应的明-准暗模式耦合机理。通过多极展开得出窗口的形成由电四极子主导,随后揭示了其慢光特性,群延时最大为0.298 ns。最后探究了其角度依赖性。该超表面为开发低成本、高灵敏度的柔性传感器提供了新的思考路径。

关键词： 金-石墨烯   脑电干电极   化学气相沉积   脑机接口   电生理信号  

摘要： 石墨烯是一种由单层碳原子以蜂窝状排列形成的二维材料,具有优异的电学性能。掺杂后的石墨烯及其衍生物由于其改良的性质和功能,在传感器等方面展现出巨大的应用潜力。 本文采用化学气相沉积技术制备了垂直生长的金掺杂少层石墨烯（Au-FLG）干电极,应用于头部电生理信号的采集和头部电生理信号控制外设的交互实验中。Au-FLG层的Au原子含量在0.07%～0.13%之间。金纳米粒子的成功掺杂降低了干电极的皮肤接触阻抗,优化后的Au-FLG干电极的头皮接触电阻约为20.7 kΩ,提升了电极对电生理信号的响应性能。使用Au-FLG干电极组装双通道头带,并利用脑电、眼电和肌电的信号特征编写了一种无人机的控制软件。脑电、眼电和肌电这三种电生理信号的信噪比分别为5.82、6.35和14.44 d B,具有良好的长期稳定性。基于Au-FLG的脑机接口系统的单个动作控制灵敏度为4 s,信息传输率为46.11 bit min-1,精度约为85.4%。 本文设计的基于Au-FLG干电极的电生理信号采集装置和基于头部电生理信号控制外设的控制系统对于手残、肢体不灵活、肌萎缩侧索硬化症患者实现自我护理和参与适当劳动具有重要意义。

关键词： 石墨烯   等离激元诱导透明   传感   光电开关  

摘要： 等离激元诱导透明(plasmon-induced transparency,PIT)可以在简单条件下实现电磁诱导透明(electromagnetically induced transparency,EIT)的特征。石墨烯具有众多优良的物理性质,基于石墨烯的超材料结构已经被提出并证明可以实现PIT效应。本文通过有限元法研究基于石墨烯超材料的可调PIT效应及其各种应用。主要内容如下: 1.设计一种具有偏振不敏感特性的PIT超材料结构。利用石墨烯结构的多重对称性实现光学响应对入射波偏振角度不敏感。由于石墨烯具有灵活的可调谐特性,该结构可以实现了动态可调的PIT效应,并在基础上实现光电开关的应用。该结构具有优秀的传感特性,其折射率灵敏度可达49156nm/RIU,超过绝大多数同类型PIT超材料结构。此外,该结构还可以实现良好的慢光效应,最高群指数接近1000。 2.设计了一种具有偏振敏感特性的PIT超材料结构。通过调节石墨烯的费米能级,实现了动态可调的PIT效应。该结构不仅可以单独调节费米能级实现光电开关的设计,还可以单独调节偏振角实现光电开关的设计。将两种控制方法相结合,不仅可以实现光电开关的设计,而且具有更好的性能。此外,该结构还具有良好的慢光和传感特性。

关键词： 石墨烯   新能源汽车   锂离子电池   负极材料  

摘要： 石墨烯在新能源汽车锂离子电池负极材料中的应用时，石墨烯制备成本较高，且作为锂离子电池负极材料的电化学性能需要进一步优化，这些问题限制了石墨烯在新能源汽车领域的广泛应用。针对此问题，本文研究了石墨烯的制备流程，重点分析了单层二维结构如何提高导电性，并对石墨烯负极材料进行了表面改性和复合材料制备的探索。通过测试充放电循环性能，评估石墨烯负极材料的电化学性能，研究结果表明，经过改性和复合材料制备的石墨烯负极材料，在循环稳定性、能量密度和功率密度等方面均有显著提升，为石墨烯在新能源汽车锂离子电池中的应用提供了有价值的参考。

关键词： 氧化石墨烯改性PVA膜   重金属离子   材料制备   吸附性能  

摘要： 针对目前很多行业如机械、化工、电子、航空航天和采矿等在生产作业时都会产生含有大量有害重金属离子大量工业废水的问题,在排放工业废水前吸附水中的有害金属离子,净化水质达到国家安全排放标准,可以有效保护生态环境。在处理含金属离子的工业废水时吸附法是较为有效的方法,针对吸附法的原理寻找更高效、更易得、选择性强的的吸附材料极具研究意义,氧氧化石墨烯因其对重金属离子的高效吸附能力而被认为是一种替代和可持续的吸附剂。本实验以工业废水为研究对象,使用改性PVA的氧化石墨烯杂化膜,对废水中的金属离子进行吸附实验,研究内容: （1）实验通过添加不同含量配比的氧化石墨烯、丁内酯配制溶液,再利用溶胶-凝胶法制备出A-E五种不同的氧化石墨烯改性PVA杂化膜,创新点在于利用氧化石墨烯较好的分散性以及丁内酯的氧化开环反应对聚乙烯醇进行改性,增强杂化膜材料吸附金属离子能力。 （2）使用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、傅里叶红外光谱仪、热重分析仪（TG）以及X射线衍射仪（XRD）等仪器对制备完成的氧化石墨烯改性PVA杂化膜进行化学物理结构分析,结果表明制备的杂化膜是成功的。 （3）完成表征实验后通过在不同溶液p H、吸附时间、溶液金属离子浓度以及吸附温度下,研究这些因素对杂化膜材料吸附Cu2+、Pb2+、Cd2+金属离子的影响效果,利用软件分析实验所得吸附数据,将数据与各类吸附模型拟合,分析出杂化膜的吸附过程为物理吸附与化学吸附共存,其中D种杂化膜更加符合多层吸附,其余四种杂化膜更符合单层吸附,由热力学模型拟合结果判断出杂化膜吸附反应不可逆反应,吸附反应可以自发进行且为吸热反应。结果显示金属离子溶液p H值为5的时候杂化膜对于Cu2+的吸附效果最好,对于其它俩种离子来说当金属离子溶液p H为5.5时吸附效果最好,其中B膜综合吸附能力较好,所制备的杂化膜材料对Cu2+、Cd2+的吸附都在24小时左右达到吸附平衡状态,对Pb2+的吸附都在48小时左右达到吸附平衡,金属离子溶液初始浓度越高吸附量越大,其中B膜对金属离子的吸附效果最好,杂化膜材料在吸附温度25-55℃范围时的吸附效果随溶液温度上升而上升,其中B膜对金属离子的吸附效果最好。 （4）通过Cu2+、Pb2+、Cd2+三种金属离子混合体系下杂化膜的竞争性吸附实验,判断出杂化膜对Pb2+吸附效果最好,选择性更高。通过五次吸附-解吸-吸附循环吸附实验证明杂化膜可进行重复使用。实验表明氧化石墨烯改性PVA膜对Cu2+、Pb2+、Cd2+金属离子有一定的吸附效果,对工业废水中的净化处理有可行性与优越性。

关键词： 激光诱导石墨烯   可穿戴设备   汗液检测   电化学传感器  

摘要： 汗液作为重要生理现象,其含有的生物标志物,如电解质、蛋白质和代谢分子等,在健康管理与疾病诊断等领域具有巨大潜力。同时汗液于其他体液（泪液、尿液、唾液和间质液）相比更容易获取和采集,也逐渐成为医疗健康领域的重要研究对象。糖尿病作为影响全球数亿人健康的重要疾病之一,为防止病情恶化,患者需要每天多次测量血糖以管理血糖浓度。目前,常用的血糖监测设备以侵入式和皮下植入式的血糖监测仪为主,它们都会对患者造成一定伤害。同时,已有研究表明血糖与汗液葡萄糖浓度具有一定的相关性,通过汗液可以实现无创葡萄糖检测。除此之外,尿酸作为汗液中的另一种重要物质,不仅可以反应体内尿酸的升降情况,同时已有研究表明,人体尿酸水平和葡萄糖水平具有相关性。通过检测尿酸,不仅可以使痛风患者更好的管理病情,同时还有助于葡萄糖水平的管理。 基于上述研究背景,本论文旨在开发一款高性能柔性可穿戴汗液传感器,以更好地实现汗液中葡萄糖和尿酸水平检测。本文以铁氧化物与激光诱导石墨烯（LIG）结合的材料（Fe Ox@LIG）为柔性电极材料,通过激光辅助加工制备而来,构建了高灵敏度、高选择性的葡萄糖和尿酸电化学传感器以及出汗率传感器。主要研究内容如下: （1）利用聚酰亚胺（PI）前驱体聚酰胺酸（PAA）溶液与氯化铁（Fe Cl3）粉末混合制成Fe Cl3-PI膜,通过激光辅助加工一次性在膜上制成铁氧化物掺杂的LIG,构建了基于Fe Ox@LIG的柔性可穿戴电化学传感器。该电极在检测葡萄糖和尿酸表现出高灵敏度、高选择性以及良好的稳定性。 （2）为了进一步完成可穿戴传感器,利用PAA溶液的可塑性,结合光固化3D打印的微流控芯片模板,制成基于Fe Cl3-PI的微流控芯片。同时通过激光辅助在通道上加工用于测量出汗率的Fe Ox@LIG叉指电极。该传感器在0.5-4μL/min的汗液流速范围内具有良好的线性检测性能,同时也被证明有良好的抗弯曲性和一致性。 （3）通过激光辅助加工将电化学传感器与出汗率传感器一次性集成到Fe Cl3-PI微流控芯片,结合医用双面胶制成柔性可穿戴汗液传感设备,可以实现人体汗液采集与实时监测。通过实验证明了柔性可穿戴设备能够完成汗液的收集与检测。这种方法降低了传统可穿戴设备的组装和封装的复杂程度,减少了整个系统的厚度。

关键词： 硬质合金   微织构   流体动压润滑   飞秒激光   石墨烯   协同减摩  

摘要： 为改善切削刀具的摩擦磨损状态、提升切削性能、减少黏结现象及抑制刀具的快速磨损,本文以YG6硬质合金为研究对象,结合了表面织构化技术与固体润滑方法,对硬质合金表面减摩抗磨性能进行了深入研究。 首先,本文构建了正方形织构和工字形、X字形、H字形三种具有不同沟槽角度的复合型微织构,基于流体动压润滑原理,利用仿真软件对所设计织构的形貌、深度及排布方式进行模拟,通过分析织构的流体动压润滑压力分布状态,获取了最佳的织构形貌及几何参数,为微织构制备与摩擦试验提供依据。仿真结果表明:与无织构光滑面相比,微织构的存在可以产生流体动压润滑效应,提高表面承载力;当织构形貌为X字形、面织构深度为7.5μm、排布方式为平行排列时,具有最佳的流体动压润滑效应。 然后,使用了飞秒激光加工贴有聚酰亚胺膜的硬质合金表面,通过改变激光功率、扫描速度、重复频率,研究了不同激光加工参数对线性沟槽微织构形貌质量的影响,得到了最佳的激光加工参数。当激光功率为600m W、扫描速度为5mm/s和重复频率为10k Hz时,不仅能有效提高加工效率,而且获得较好的加工沟槽深度、底面与侧面平整度。 其次,在油润滑条件下,剖析了织构形貌、几何参数及排布方式对材料表面摩擦性能的影响,结果表明:平行排布且织构深度为7.5μm的X字形微织构具有最小摩擦系数与磨损量,其减摩效果最佳,摩擦系数为0.148,相比于无织构表面,最大降低了26%,该结果验证了仿真模拟的准确可靠性。 最后,探究了0.5wt.%、1wt.%、1.5wt.%和2wt.%这四种不同石墨烯浓度协同微织构的减摩效应。研究表明:在石墨烯混合油润滑下,其摩擦系数与磨损量相比于油润滑条件下明显减小,且随着石墨烯浓度的增加,摩擦系数与磨损量持续降低。当石墨烯浓度为0.5wt.%时,其结论趋势与油润滑相同,即X字形摩擦系数与磨损量最小,摩擦系数为0.133,此时石墨烯作用较小,织构形貌减摩润滑占主导作用;而石墨烯浓度大于0.5wt.%时,此时摩擦系数持续降低,磨损量也相应减少,织构不再起主要作用,石墨烯的润滑效果起主导效应。当石墨烯浓度到达2wt.%时,摩擦系数最低最小可达0.08。 图[49]表[10]参[106]

关键词： 亚铬酸铜   石墨烯   固体推进剂   静电感度  

摘要： 改铵铜（GATo）作为新一代改性双基固体推进剂,具有比冲高、燃速高和性能重现性好等优点,近年来广泛应用在新型导弹中。随着固体推进剂技术的不断发展,对固体推进剂的性能需求日益增长,因此对GATo的性能也提出了更高的要求。并且由于GATo在生产、贮存和使用等过程中危险性较大,因此对GATo的静电安全性也提出了要求。在此背景下,本研究提出制备一种可以提高GATo推进剂的性能,并增强其静电安全性的复合催化剂。主要内容如下: （1）三维结构的CuCr2O4@rGO复合催化剂的制备、表征和性能研究 利用葡萄糖还原氧化石墨烯（GO）制备得到三维结构的CuCr2O4@rGO。通过XRD、SEM、FTIR和Raman等测试手段证明GO被葡萄糖还原,并且得到了三维结构的CuCr2O4@rGO复合催化剂。由DSC-TG测试可知,在催化剂用量为2 wt%的条件下,加入CCO@rGO-2的高氯酸铵（AP）的高温分解峰从420.2°C提前至340.7°C,加入CCO@rGO-4的AP的放热量从1116 J·g-1提高至1579 J·g-1;加入CCO@rGO-2的GATo的放热峰从188.8°C提前至179.9°C,加入CCO@rGO-3的GATo的放热量从2243 J·g-1提高至2720 J·g-1。添加复合催化剂的GATo的静电火花感度测试结果表明,CCO@rGO-5对GATo推进剂的静电安全性提升最大,达到了1.21 J（正极）和1.18 J（负极）。 （2）CuCr2O4@G的水热法制备、表征和性能研究 通过水热法制备得到了CuCr2O4@G复合催化剂。在催化剂用量为2 wt%的条件下,由DSC-TG测试可知,CG-x复合催化剂对AP和GATo的热分解都有一定的催化作用。加入CG-3的AP的高温分解峰从420.2°C提前至337.7°C,加入CG-4的AP的放热量从1116 J·g-1提高至1597 J·g-1;加入CG-3的GATo的放热峰从188.8°C提前至179.4°C,放热量从2243 J·g-1提高至2730 J·g-1。CG-3复合催化剂的加入使AP和GATo的反应活化能分别降低至127.65 k J·mol-1和138.95 k J·mol-1。而实时FTIR光谱说明了加入CG-3复合催化剂后,AP和GATo的热分解进行得更完全,氧化得更彻底。添加复合催化剂的GATo的静电火花感度测试结果表明,CG-5对GATo推进剂的静电安全性提升最大,达到了1.45 J（正极）和1.50 J（负极）。