关键词： 柔性传感器   压力传感器   高分辨率   小型化   微型结构  

摘要： 电子技术的飞速发展使得柔性压力传感器因其柔韧性、轻量性和高灵敏度等特性而备受研究人员的青睐。本文制备了具有柔性化、小型化、高分辨率的柔性压力传感器阵列,并对其进行了一系列的性能测试,同时设计了相应的应用实验来证明传感器阵列的特性。 （1）制备基于石墨烯的海绵柔性压力传感器,使用浸泡法让石墨烯渗入到聚乙烯海绵中,通过电子扫描显微镜的观察,发现石墨烯已完全渗透到海绵块的内部。并对传感器进行灵敏度、响应时间、重复性等性能测试,海绵传感器表现出1.55 N-1的灵敏度,在0～0.8 N的压力范围呢具有1.125 N-1的灵敏,在300次的重复性实验中表现良好。 （2）采用上下两层电极分布结构设计基于石墨烯的柔性高分辨率压力传感器,经过传感器性能测试表明该传感器的力检测范围为0～2 N,响应时间为180 ms,恢复时间为200 ms。在进行500次的重复性实验后,传感器展现出良好的稳定性,并具有3.07 N-1的灵敏度。传感器在不同区域的一致性良好,展示出良好的耐久性和低耦合性。在9 mm×9 mm（指腹大小）的区域内,传感器能够实现高分辨率的感知,成功识别盲文和感知水果外形。 （3）为进一步地提升传感器重复性,拓宽压力的检测范围,有效降低敏感单元之间的串扰,在敏感层部分设计一层井字格结构的保护层,配合PDMS膜对敏感单元形成全包裹式保护。经检测该传感器阵列的重复性大幅增加,压力的检测范围为0～8 N,该传感器具有260 ms的响应时间和280 ms的恢复时间,在1000次的重复性实验中展现了良好的稳定性,传感器的灵敏度为0.154 N-1,该传感器在小型化和高灵敏度压力检测场景中具有显著优势,进一步提高传感器的耐用性与分辨率。

关键词： 太赫兹   超材料   二氧化钒   石墨烯   吸收器  

摘要： 太赫兹技术作为一个跨学科的前沿领域,为科技发展带来了重要契机。当前的太赫兹器件功能大多较为单一,缺乏实用性强的器件,这与对太赫兹的研究不足密切相关。超材料是一种具备天然材料无法实现的独特电磁性能的人工微结构材料。随着技术的进步,太赫兹科学和技术推动了超材料器件的迅速发展。为促进太赫兹技术的发展,各种基于超材料的功能器件被提出,如滤波器、调制器、天线和完美吸收器。其中,太赫兹超材料吸收器近年来成为热门功能器件,在太赫兹成像、传感和隐身等领域具有广阔的应用前景。然而,大多数太赫兹吸收器功能单一,无法动态调谐。相比之下,主动可调谐的超材料吸收器更适合复杂的电磁应用。二氧化钒和石墨烯是常用的相变材料,二氧化钒在68摄氏度附近可从绝缘态转变为金属态,石墨烯的费米能级可通过电压调节改变,这两种材料是实现太赫兹可调器件的理想选择。本文重点研究基于二氧化钒的太赫兹可调吸收器,主要内容如下。 (1)提出了一种基于二氧化钒的可切换超宽带太赫兹吸收器,该吸收器由最低的金层、PMI(poly methacryl imide)介电层和绝缘层和表面二氧化钒层组成。基于二氧化钒的相变特性,在超宽带和窄带之间的切换性能可以实现近乎完美的吸收。利用有限元分析的方法对所构造的模型进行了模拟和分析。模拟结果表明,当二氧化钒处于金属状态时,90%以上的二氧化钒的吸收频率在3.8THz-15.6THz之间,宽带吸收器的吸收带宽为11.8THz,对TE(横电波)和TM波(横磁波)偏振不敏感,并具有广泛的入射角稳定性。当二氧化钒处于绝缘态时,其在频率为13.89 THz的条件下,具有大于99%的吸收率,对应于该窄带吸收器的品质因数(Q值)可达到1111。 (2)提出了一种基于二氧化钒和石墨烯的可切换超宽带太赫兹吸收器,它由最低的金层、PMI介电层、二氧化钒层和表面石墨烯层组成。基于二氧化钒和石墨烯的相变特性,可以实现超宽带和5窄带完美吸收之间的切换。利用有限元分析的方法对所构造的模型进行了模拟和分析。通过仿真模拟计算,当二氧化钒电导率为200000 S/m,吸收器90%以上的吸收频率在4.8THz-17.6THz之间,吸收带宽为12.8THz,此时石墨烯费米能级参数设置为为0.1 e V,并且次器件对TE和TM极化不敏感特性和广泛的入射角不敏感性。当二氧化钒处于绝缘状态且石墨烯的费米能级设定为0.4 e V时,所设计的超材料吸收器能够转换为5波段窄带吸收器,在1.9THz、5.2THz和15.3THz处实现超过90%的吸收率。 本文设计的两种二氧化钒太赫兹可调吸收器在多功能器件、电磁隐身和光电开关等方面具有广阔的应用前景,对之后的军事领域和民用方面提供了设计思路。

关键词： 视黄醛   石墨烯型氮化碳   光催化制氢   碱金属离子  

摘要： 随着全球化石资源的枯竭、环境污染问题的加剧和人们对于生活品质要求的提高,减少化石燃料使用并开发可持续发展的新能源成为各界人士关注的重点。目前,光能、地热能、潮汐能、风能等一系列利用自然清洁能源服务工业的策略得到了有效发展。基于光照的光合作用为世界的运转提供了能量,并且由于光能具有分布范围广、易捕获、安全性高等优点,多种多样的光催化剂被开发出产氢、还原二氧化碳、固氮等功能。为了更好的利用光能,一方面需要继续深入理解光能转化机理,另一方面则需要对光催化剂的效率进行改良和提升。基于以上需求,我们在本文中使用理论计算方法对这两方面都展开了研究。我们选取了人眼中的捕光色素,同时也是光合系统中最早出现的捕光分子——视黄醛,对其在人眼中进行光捕获和光转化的机理进行研究;同时,对二维光催化材料石墨烯氮化碳的产氢过程进行机理研究,为提高其制氢效率提供理论支持。 视黄醛是人眼中唯一确定的捕光分子,也是所有脊椎动物共用的视觉发色团组分,对其展开研究可以揭示视觉成像中未知的细节,为眼部疾病的解决提供一些思路。我们通过改变分子组分研究其结构与特殊功能的关系:(1)改变末端基团,确定C=O的特殊性。C=O的长度在共轭长度N=6的视黄醛衍生物中略长于C=C、C=N,同时也造成了较大的吸光范围。此外,C=O在共轭链中的光学性质以N=6为分界线而展现不同变化规律,这可能就是C=O未在更短类胡萝卜素中出现的原因。(2)设计了共轭度为5-10的视黄醛衍生物模型,探究共轭度N=6的特殊性。N=6可以兼顾分子的抗光干扰能力和捕光能力,保证了视黄醛的高稳定性。另外N=6时激发态的吸光范围最容易受到共轭长度的影响,这可以使其在光激发前后具有最强的可分辨性。(3)使用常见的H、CH2COOH、OH等官能团取代视黄醛上原本的CH3,对比发现CH3饱和的视黄醛在保证视黄醛弯曲构型的同时,其光学性质最接近于H饱和视黄醛衍生物。(4)计算了不同共轭度、取代基的质子化视黄醛衍生物扭转过程,确定质子化扩大光吸收范围的功能可以推广到了其他类胡萝卜素。 石墨烯氮化碳g-C3N4对可见光的利用率高,且在酸或碱溶液中均能稳定存在,被认为是最有应用前景的光解水催化材料之一。然而,g-C3N4在不同溶液中的效率不同,但其中机理的缺失阻碍了其最佳环境的构建。在此,我们将g-C3N4置于含碱金属离子Na+和K+的水溶液中,并考虑了环境对g-C3N4的电荷影响,对碱金属离子影响g-C3N4产氢的机理进行研究。我们分析了 g-C3N4中不同吸附位点的结合能,确定了最佳吸附位点。随后通过分析带隙、功函数、电荷密度等性质,发现碱金属的加入降低了水分子的结合能。同时,碱金属离子降低了 H与g-C3N4的VBM能量差,使之更易被光激发。最后,分析HER和OER过程,发现K+不仅在中间产物的位点迁移过程中降低反应能垒,加快了反应速度,而且改变了决速步,影响了反应机理。

关键词： 还原氧化石墨烯   金属氧化物   复合材料   气敏传感器   柔性   室温  

摘要： 随着社会的进步以及科技的发展,大气污染愈来愈重,对人体健康的影响愈来愈大。因此,气体传感器的发展是顺时之势。气体传感器不仅可以检测大气污染物,而且还逐渐被广泛应用于家用气体泄漏的检测。随着人们对于气敏机理研究的深入,气体传感器将具有更大的应用价值,应用范围也将越来越广。本文基于对金属有机骨架材料（MOFs）衍生金属氧化物的结构及其与气敏性能关系的认知,设计合成了以金属氧化物Co3O4、SnO2与CuO为主体的气敏传感材料,这些材料可用于检测NO2、H2S等有毒有害气体。且响应较高,良好的可重复性以及工作温度较低等优点使其具有良好的应用前景。 还原氧化石墨烯（rGO）等作为电子传输的受体,因其具有高电子传输能力且可以与氧化物形成异质结等优点使其显示出良好的传感性能。本文采用水热反应法对GO进行还原,制备了rGO/Co3O4、rGO/SnO2、rGO/CuO三种复合材料,并且对这些复合材料的微观结构进行了SEM和TEM等表征。本论文的主要工作内容如下: （1）采用一步水热法,以金属氧化物Co3O4为基体材料与客体rGO复合,经高温煅烧成功合成了rGO/Co3O4复合传感材料并组装成传感器将其应用于NO2的检测。结果表明,与纯Co3O4相比,复合材料对于NO2气体的响应更高。值得注意的是,在90℃下,当添加GO的质量为3 mg时,rGO/Co3O4-3传感器对50 ppm NO2气体的响应为15.42,响应时间为86.83 s。此外,该传感器具有可靠的重复性和长期稳定性。以上气敏性能的改善是通过调节氧化石墨烯的浓度使敏感材料表面空位氧浓度发生改变,以获得具有氧空位浓度较高的rGO/Co3O4复合传感材料。高氧空位浓度为具有抵消电阻调制的p型金属氧化物半导体的气敏性能的提高提供了一个新的解决方案。增强的NO2气敏特性进一步凸显了制备的复合材料在未来NO2气体实时监测应用中的优势。 （2）通过简便的水热法及N2高温煅烧处理,成功制备了rGO/SnO2复合材料。然后,对复合材料进行了气敏性能测试。测试结果表明:与纯SnO2相比,复合材料传感器对NO2气体的气敏性能有显著提升。值得注意的是,rGO/SnO2-30传感器的性能最为突出,在60℃下,具有对5 ppm NO2气体为28.57的高响应,而相同气体浓度下,纯SnO2传感器的响应为11.4。最后,对传感材料性能提升的作用机理进行了解释。以SnO2纳米粒子为主体,通过调控客体rGO与主体SnO2纳米粒子的粒子间作用关系,使表面氧空位浓度发生改变以及异质结成功构建,此外,rGO的加入还提高了材料的电导率,加快了电子的传输。因此,将rGO引入到SnO2纳米材料中是一种可行的改性方案。 （3）通过PVP辅助水热合成法,以p型金属氧化物CuO为主体材料,调节客体rGO的复合量,在600℃下煅烧成功制备了rGO/CuO复合材料,并将其组装成柔性器件应用于ppb级H2S的检测。测试结果显示,在室温条件下,纯CuO气敏传感器对0.8 ppm H2S气体的响应为1.4,而相同浓度下,rGO/CuO-10复合材料传感器的响应为14.37,复合材料的响应是纯样品的10倍之多。该材料气敏性能的改善是由于具有优异传输能力的还原氧化石墨烯纳米片可以作为高导电通道加速载流子转移,从而大大缩短响应和恢复时间;此外,rGO比表面积大的特性赋予了H2S气体更多的活跃吸附区域,这促进了rGO/CuO表层的氧化还原过程,进而引发了极快的反应。因此,rGO/CuO复合材料优异的响应恢复能力和理想的选择性等优点使其在气体检测方面具有良好的应用价值。

关键词： 皮革基底   直写印刷   交联聚乙烯醇   聚苯胺/石墨烯   超级电容器  

摘要： 近年来,传统印刷技术与新兴电子器件领域之间的联系越来越密切,基于各种不同导电墨水和不同承印物的印刷电子产品相继问世,推动了印刷电子技术的快速进步。皮革源自动物的皮肤,具有优秀的柔韧性和机械性能,被视为柔性印刷电子的理想基材,但因为其本身有着大量的毛孔和不规则纹理,在实际印刷应用时受限较大。预计在皮革表面实现精细的图案化打印,前提需要对其表面进行一定的处理。在现有皮革表面进行印刷,利用功能性涂料对皮革表面改性处理,是一种有效的方法,该涂料需要最大限度保留皮革本身优良特性,同时还能够平滑纹理、填充毛孔,为实现皮革表面图案化印刷奠定良好基础。 本论文主要研究是通过印刷实现皮革表面的图案化。首先是制备适用于直写印刷的导电墨水,其次是制备能够提升皮革表面印刷适性的涂料,最后是使用制备好的导电墨水在改性的皮革表面实现图案化应用。具体技术路线: （1）聚苯胺/石墨烯复合导电墨水的制备 首先,通过实验确定了盐酸（HCL）作为掺杂质子酸时的浓度为1 mol/L,以及过硫酸铵（APS）作为引发剂与苯胺（An）质量比为1:1时,可以成功制备出纳米纤维形态的聚苯胺（PANI）。上述条件制备的聚苯胺表现出良好的电导率和产率,电导率可达294.1 S/m,产率高达90.2%。其次,以纳米石墨粉为原料,通过改进的Hummers法制备氧化石墨烯（GO）,将不同比例的氧化石墨烯与苯胺共混,在引发剂的作用下,促使苯胺以氧化石墨烯片层为基底发生本位聚合。当氧化石墨烯质量比为10 wt%时,制备出的聚苯胺/氧化石墨烯复合导电材料电化学性能最优,比表面积为32.2374 m2/g,面积比电容可以达到476.45 m F/cm2。最后,使用绿茶多酚（TP）对该复合材料体系整体还原,得到的聚苯胺/绿茶多酚还原氧化石墨烯面积比电容高达1048.25 m F/cm2,相较于未还原状态提升了2.2倍。 （2）硼酸交联聚乙烯醇涂料的制备及对皮革表面直写打印效果的影响 首先通过硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTS）对纳米二氧化硅（SiO2）进行官能团功能化处理,降低纳米二氧化硅的表面亲水性。将处理后的纳米二氧化硅作为填料掺杂在聚乙烯醇（PVA）中,在填料比例为3 wt%,制备的涂料静置48 h后,未出现分层现象,SiO2-APTS未析出,涂料稳定性较好。其次对掺杂纳米二氧化硅的聚乙烯醇进行硼酸（BA）交联处理,在硼酸为2.0 wt%时,制备的复合涂料流平等级为10级,粘度合适,吸水性仅为8.8%,而纯PVA吸水性高达413.6%;水中溶解率仅为1.2%,而纯PVA水中溶解率高达93.7%。在经该涂料处理的皮革表面印刷线条,根据GB/T 36598-2018标准,可以判定线宽的误差在合理范围内,可以实现清晰的图案化印刷。 （3）基于改性皮革表面实现图案化应用 采用直写印刷技术在经过涂料处理的皮革表面实现图案化,制备皮革基柔性超级电容器。通过循环伏安测试、恒流充放电测试和电化学阻抗测试等验证其电化学性质和循环稳定性。在5 mv/s的扫描速率下,该电容器的面积比电容高达1042.38 m F/cm2,经过5000次循环伏安扫描后,电容保持率在93.12%左右。电解质离子迁移电阻、电解质与电极界面电阻及电极材料本身的内阻之和等效为4.65Ω,整体电阻较小,表现出较好的电容存储效果。将该超级电容器分别按照30°、60°和90°弯折100次,结果显示,经过弯折处理后,电容器的面积比电容大小略有浮动,但总体上表现出良好的耐弯折、柔韧性和稳定性。在能量密度最高时达到57.29 Wh/cm3,对应的功率密度为0.104 W/cm3,表明其具有较大的能量存储能力。 综上所述,本实验成功制备出适用于直写印刷的聚苯胺/石墨烯导电墨水,研制出能够改性皮革表面提高其印刷适性的交联聚乙烯醇涂料,对皮革表面涂布改性,并在此基础上采用直写印刷方式成功组装出储能效果良好的皮革基柔性超级电容器。