关键词： 石墨烯   太赫兹   超材料吸收器   电磁共振   表面等离激元  

摘要： 太赫兹波是一种位于微波和红外线之间的电磁波。由于其独特的性质,如可控性强、低能量特性以及高分辨率等特点,在多个领域展现出无可替代的应用潜力。目前,太赫兹吸收器作为调控太赫兹波的功能器件之一,却面临着功能局限、无法动态调控以及器件结构复杂等多重挑战,这极大地限制了其在实际应用中的效能。随着太赫兹技术应用的深入和场景的多元化,具有主动可调谐功能的太赫兹器件成为了研究的热点。而石墨烯作为一种碳纳米材料,因其具有高载流子迁移率、低损耗以及可调谐性等特点,使其成为太赫兹吸收器设计的理想候选材料之一。针对上述问题,本文结合太赫兹技术、超材料以及石墨烯的特性,设计了两种基于石墨烯的多频带超材料吸收器。本文的主要研究内容如下: 一、设计了一种基于金属/石墨烯多层结构的多频带超材料吸收器。该吸收器由金柱、石墨烯、二氧化硅和金镜依次堆叠而成。通过COMSOL软件的仿真模拟,我们发现该吸收器在2.78 THz和6.78 THz这两个频率点处的吸收率均超过99%,实现了近乎完美吸收。值得一提的是,即使在较大角度入射的情况下,该结构依然能够维持较高的吸收率。同时,我们运用阻抗匹配理论、表面等离激元共振和电磁共振等原理对吸收机理进行了系统的阐述。此外,通过调整切割石墨烯的矩形宽度、添加或移除金柱、调控石墨烯的费米能级、改变二氧化硅层的厚度以及调整弛豫时间等参数,详细分析了这些参数对吸收器吸收性能的影响。由于我们所设计的吸收器在太赫兹波段具有优异的吸收性能,因此,该吸收器为可调谐太赫兹吸收器的设计与应用提供了有益的参考和启示。 二、设计了一种基于“闸门开关”型石墨烯的多频段可调谐超材料吸收器。该吸收器由石墨烯、二氧化硅和金镜构成。仿真结果显示,在5.6 THz、7.5 THz和8.4 THz这三个频率点处,吸收器的吸收率分别高达99.81%、97.85%和99.98%,实现了近乎完美的吸收效果。同时,我们运用阻抗匹配理论和石墨烯表面等离激元理论,深入探讨了其吸收机理。我们发现,通过改变石墨烯的结构参数、费米能级、弛豫时间以及介质层厚度等参数,均会对吸收性能产生显著影响。此外,由于设计的吸收器是对称性结构,所以具有偏振不敏感性。因此,我们成功实现了一个结构简单、动态可调、偏振不敏感的多波段太赫兹超材料吸收器。

关键词： 可见光通信   LED芯片   调制带宽   嵌入式电极   石墨烯  

摘要： 可见光通信技术作为一种新兴的无线通信方式,有望缓解如今因为全球数据流量需求飞速增长所造成的频谱危机。发光二极管（Light-Emitting Diode,LED）凭借响应速度快、光电性能优异、成本低廉等优势而被认为是可见光通信系统最理想的光源之一。目前,商用照明LED调制带宽低下,制约了可见光通信技术的进一步发展。因此,研制面向可见光通信的高带宽、优光电性能的LED芯片具有十分重要的意义。相较于传统横向结构,嵌入式结构LED芯片可以有效改善电流拓展及载流子辐射复合。因此,本文基于嵌入式电极结构LED芯片的电极结构、电流拓展层以及可靠性等方面开展了相关研究。主要研究内容和结论如下: 1、通过APSYS仿真软件指导设计了嵌入式电极结构,从而提升了LED的带宽。通过APSYS有限元仿真软件进行了LED电极结构建模,采用对描述载流子复合机制的的ABCD模型,从非辐射复合、辐射复合、电流泄露等方面分析了嵌入式电极结构对LED芯片带宽的决定因素所造成的影响。仿真结果显示:嵌入式电极结构可以改善电流拓展;有效提高载流子辐射复合,同时减少俄歇复合或电子泄露等项,有益于制备高带宽LED芯片,并生长了4周期In Ga N/Ga N量子阱,厚度为7 nm的EBL层。所制备得到的尺寸为50μm×50μm的嵌入式LED芯片在1000 m A测试电流下,带宽提升了33%,同时光输出功率提高了20%。 2、设计并制备了适用于可见光通信的石墨烯（Gr）/Ga N嵌入式电极结构LED芯片。通过对比加入不同层数石墨烯的嵌入式电极结构LED芯片的性能差异,发现2-3层石墨烯LED芯片具有更优的光分布以及电流扩展能力。随后制备了尺寸50μm的多种石墨烯嵌入式电极结构LED芯片,测试结果表明,制备的石墨烯/Ga N基LED芯片光输出功率为46 m W,在6.7 k A/cm2的电流密度下具有610 MHz的调制带宽。通过引入适当的Gr层,增强了空穴注入,改善了电流扩展,增加了LED芯片的调制带宽。 3、研究了石墨烯嵌入式电极LED芯片寿命及可靠性的影响。本论文测试并分析了LED芯片的可靠性,采用不同层的石墨烯来提高载流子辐射复合率和量子阱中的电流扩展,可以有效地提高可靠性和光功率,并减少光功率的老化。老化测试结果表明:通过引入适当数量的石墨烯层,在高温高湿条件下实现了低老化率和较长的理论寿命,这将有利于提高LED的寿命和可靠性。因此实际应用场景中,LED芯片应该选择合适的石墨烯层数以提升芯片和系统的稳定性。

关键词： 碳量子点   石墨烯   润滑油添加剂   协同润滑   润滑机理   分子动力学模拟  

摘要： 摩擦磨损是轴承稳定运行和使用寿命的主要影响因素。为高速轴承提供优质的润滑条件尤为重要。石墨烯纳米材料因其卓越的润滑性能和导热性能,被广泛应用在润滑油添加剂中。然而,石墨烯纳米粒子的高表面能以及片层间强烈的π-π相互作用,使其分散稳定性较差,这在一定程度上影响了其作为添加剂的性能和效果。继石墨烯之后,碳量子点作为一种新兴的碳纳米材料,由于具备易于功能化、稳定的理化性质和简便的制备工艺的优点,已广泛应用于多个领域。本文将探讨将零维的碳量子点与二维的石墨烯材料相结合的可能性,目前这一研究在纳米润滑添加剂领域仍处于探索阶段。本文将零维碳量子点和二维片层结构的石墨烯材料复合,实现分散协同润滑同时提高石墨烯润滑油的分散能力。以柠檬酸为碳源,采用一步热解法制备出了尺寸分布均匀的碳量子点,以石墨烯为骨架,负载碳量子点,成功制备碳量子点/石墨烯复合材料,分析其在摩擦过程中的润滑特性,并通过分子动力学模拟,揭示了含碳量子点/石墨烯润滑油的协同润滑机理,主要研究工作及结果如下: （1）碳量子点/石墨烯复合纳米粒子的制备及表征。以柠檬酸为碳源,通过热分解法一步制备了碳量子点;通过水热法以石墨烯纳米粒子为骨架,负载碳量子点,合成碳量子/石墨烯复合材料,通过X射线衍射仪和透射电镜进行了表征和分析。制备的碳量子点平均粒径为4.16 nm,分布均匀,呈类球形。成功制备了碳量子点/石墨烯复合材料。 （2）含碳量子点/石墨烯复合材料添加剂润滑特性。在Si3N4/GCr15摩擦副,通过摩擦试验研究了质量分数、载荷对含碳量子/石墨烯添加剂润滑油的润滑性能的影响。通过不同添加剂作用下摩擦系数和磨痕表面的表征,分析碳量子点/石墨烯复合材料在基础油中协同润滑作用。结果表明,当碳量子点和石墨烯复配质量比为4:1,质量分数为0.15%时,润滑性能最好,平均摩擦系数为0.062,与基础油、含碳量子点润滑油以及含石墨烯润滑油相比,平均摩擦系数分别降低了59.03%、38.33%和49.76%。磨痕宽度为485.53μm,磨痕深度为3.20μm。 （3）含碳量子点/石墨烯复合材料的协同润滑机理。建立了和摩擦壁面的分子模型并构建剪切模型。计算了含添加剂润滑油的剪切变形、相对浓度分布、吸附能和剪切应力。仿真结果表明,与基础油相比,含碳量子点/石墨烯润滑油剪切变形降低了17.6%,剪切速度从10 m·s-1增加到80 m·s-1时,吸附能降低了42.57%,上壁面剪切应力升高了57.63%,下壁面剪切应力升高了51.37%;当温度上升125℃时,吸附能降低了20.78%,上壁面剪切应力升高了32.52%,下壁面剪切应力升高了37.62%。

关键词： 石墨烯   摩擦特性   接触面积  

摘要： 摩擦损耗占据全球能源损耗的三成，因此在摩擦机理方面的研究具有重要的理论意义和实用价值。作为二维材料，石墨烯类材料展现出传统材料所不具备的独特摩擦性能。为此，本文采用理论和分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟相结合的方法，系统地研究了石墨烯的摩擦特性和机理，具体研究内容包括以下三个方面:　　(1)我们采用了 MD模拟的方法，探讨了压力对石墨烯层间摩擦的影响。模拟结果表明，压力和石墨烯基底的变形共同调控了摩擦行为，压力导致的变形在低压力下会降低摩擦而在高压力下会增大摩擦。此外，我们观察到当法向力增大到临界值时，探头与弹性石墨烯表面之间的摩擦模式会发生转变，即从粘滑摩擦变为成对的粘滑摩擦。这一现象源于微观接触状态的转变:增大施加的法向力会改变探针感受到的能量景观，从而改变石墨烯基底和探针间的微观接触状态和摩擦行为。随后，我们又运用PT模型(Prandtl-Tomlinson model)从理论上验证了微观接触状态的改变可能会导致摩擦行为的变化。　　(2)我们运用MD模拟研究了接触面的面积对摩擦的影响。模拟结果表明，微观接触边缘构型与热波动共同影响了固体的摩擦行为。当接触面积较小时，石墨烯边缘的构型会对摩擦应力有着显著的影响，这导致模拟观察到摩擦力随着面积的变化而剧烈震荡。当接触面积较大时，相较于边缘的构型，热运动对摩擦应力的影响更为显著，此时模拟观察到与经典接触摩擦一致的现象。　　(3)我们改进了描述微观摩擦行为的经典二维PT模型。在用二维PT模型描述摩擦界面间的能量景观中，我们将原来简单的正/余弦函数改为基于第一性原理计算的离散能量值经过二维傅里叶变换得到的连续函数。改进后的方法在提高计算精度的同时，减轻了第一性原理的计算量。将改进后的方法与分子动力学模拟相比较，发现改进后的方法与文献中的实验数据吻合度更好。

关键词： 微生物燃料电池   阳极材料   接种物   细菌群落  

摘要： 微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFCs）是一种有前景的污水处理技术,能够在微生物转化有机物的同时产生电能,是污水资源化处理的途径之一。阳极材料的性质影响产电微生物的黏附、胞外电子传递及微生物群落结构,是制约MFCs发展的关键因素之一。接种物作为反应器中电活性细菌的初始来源,对阳极上的微生物群落的塑造起到重要作用。本文选择厌氧污泥和长期运行的反应器阳极出水作为接种物,将石墨烯及其金属复合物（rGO、rGO/Ag和rGO/Co）作为MFCs的阳极,探究不同阳极反应器的产电性能、电化学性能、微生物群落结构以及不同条件下运行的稳定性。 在污泥接种条件下,rGO改性阳极反应器的启动时间最短,同时获得了最高的功率输出396.0±6.4 m W/m2,分别是rGO/Ag阳极（274.8±21.0 m W/m2）和rGO/Co阳极（337.7±2.8 m W/m2）的1.44倍和1.17倍。rGO/Co阳极反应器的库仑效率最高,为55.0±0.1%,表明rGO/Co阳极生物膜将有机物转化为电能的效率最高。电化学测试表明,rGO阳极和r Go/Co的电荷转移电阻最低,分别为1.5Ω和3Ω,远低于rGO/Ag阳极（57.4Ω）。高通量测序结果表明,rGO阳极在污泥中富集更多的Acinetobacter（41.8%）和Pseudomonas（21.4%）,而在rGO/Ag和rGO/Co阳极上优势菌属为Stenotrophomonas。相比于rGO阳极,冻融操作对rGO/Ag和rGO/Co阳极生物膜的影响较小。 在阳极出水接种条件下,rGO/Co改性阳极反应器的启动时间最短,rGO阳极的启动时间最长。rGO和rGO/Co阳极获得了相似的功率输出（336.9±21.3 m W/m2和336.7±45.2 m W/m2）,高于rGO/Ag阳极的功率输出（310.2±19.3 m W/m2）。rGO/Co阳极反应器的库仑效率最大,为55.1±0.9%,表明rGO/Co能显著提升微生物将电子从基质传递到阳极的能力。电化学测试表明,r Go/Co阳极的电荷转移电阻最低,为7.1Ω。高通量测序结果表明,rGO阳极的优势菌属为Chryseobacterium（18.4%）和Pseudomonas（12.4%）;rGO/Ag阳极中Acinetobacter的相对丰度最高,为59.6%;rGO/Co阳极中Stenotrophomonas的相对丰度最高,为47.4%。长期运行过程中,rGO/Co阳极反应器的平均电压为0.414±0.011 V,最大功率密度为364.9±5.0 m W/m2;同时,rGO/Co阳极在长期运行中表现出对Geobacter（93.9%）的选择性富集。 综上,石墨烯及其复合物作为MFCs阳极,在不同的接种源下有不同的表现。其中,rGO主要在混菌中富集Pseudomonas,而rGO/Co阳极在混菌中富集Stenotrophomonas,经过冻融操作和长期运行,不同接种物的rGO/Co反应器都表现优异的稳定性。