关键词： 光开关   光波导   聚合物   石墨烯   模分复用  

摘要： 随着社会的不断发展,信息通信网络的信号处理量迅猛增长,设备对能源的需求也在不断上升,高能耗已成为制约信息技术可持续发展的主要瓶颈之一。光开关与光开关阵列是构建光通信系统的重要器件,特别是在采用密集波分复用（DWDM）或者模分复用（MDM）技术的高速宽带通讯网的骨干线上,复杂的网络架构需要灵活、可靠的网络管理,光开关与光开关阵列在光网络中具备光域优化、路由和保护等功能,是光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）的核心技术。因此,如何降低光开关器件的功耗已经成为亟待解决的重要难题,对降低信息基础设施的能耗具有重要的意义。 波导型光开关是目前光通信网络中应用最为广泛的光开关器件,用于制备波导型光开关的材料主要分为无机材料和有机聚合物材料两类。与无机材料相比,有机聚合物材料具有制备工艺简单、成本低廉、折射率可调、抗电磁干扰能力强以及无机材料所无法比拟的高电光系数和高热光系数等优点,因此逐渐成为极具发展和应用前景的实现低成本、高性能光子器件的基础性材料。此外,有机聚合物材料最突出的优点在于它的加工集成能力强,可以灵活地与其它材料体系和波导、电极结构进行混合异质集成。因此,利用有机聚合物材料探索和研究高性能、低功耗、小型化和集成化的光开关器件具有重要的理论意义和实际价值。 在传统结构的光开关器件中,为了避免金属电极引起光学吸收损耗,需要在金属电极和波导芯层之间加入一定厚度的包层材料,这样也会限制电极对波导芯层中光场的调制效率。为解决该矛盾问题,本论文主要结合石墨烯优异的电学、光学和力学特性,以及有机聚合物波导加工工艺简单、灵活的优势,通过对石墨烯转移技术研究和波导制备工艺设计,将石墨烯电极掩埋于有机聚合物光波导的内部,以石墨烯/聚合物混合波导结构为基础,对光开关器件进行了系列研究。论文主要工作内容如下: （1）构建了石墨烯/聚合物混合波导的理论模型,分析了石墨烯的各向异性模型和界面模型,并利用界面模型在仿真效率方面的优势,模拟了石墨烯/聚合物混合波导结构对TE和TM基模信号的光吸收损耗,得到了TE模式的光吸收损耗远大于TM模式的仿真结果。然后,开发了单层石墨烯薄膜的湿法转移工艺,设计并制备了基于石墨烯/聚合物混合波导的偏振器,进一步对石墨烯/聚合物混合波导结构的光吸收偏振依赖性进行了实验验证。测试结果表明,该器件对TE和TM偏振模式的光吸收损耗存在显著差异,分别为20 d B和5 d B,消光比达到15 d B,并在1525～1620 nm波段内具有较好的稳定性。 （2）基于石墨烯/聚合物混合波导在TM偏振模式下损耗较低的特性,提出了基于石墨烯调制电极的石墨烯/聚合物混合波导光开关。首先,研究了基于石墨烯加热电极的聚合物波导热光开关,利用聚合物波导加工工艺简单、灵活的优势,通过引入加载条形波导结构并结合开发的石墨烯湿法转移工艺,提出了一种将石墨烯加热电极掩埋到光波导芯层内部并进行图案化的新方法。石墨烯加热电极可以在不引入额外损耗的情况下有效提高加热电极与光场的重叠积分因子,进而提高电极的加热效率、降低器件功耗,而且在石墨烯电极的制备过程中引入了空气隔离槽结构,可以有效将电极产生的热量聚集在波导芯层中,进一步降低了器件的功耗。测试结果表明,使用石墨烯加热电极的开关功率仅为3.28 m W,与采用Al加热电极的传统结构热光开关相比,器件的开关功率降低了约3倍,该器件的传输损耗约为6.2 d B,消光比达到25 d B,器件的上升时间和下降时间分别为96μs和112μs。其次,研究了石墨烯调制电极在极化聚合物电光开关中的应用。为减小波导包层的分压,提高电极的极化效率和调制效率,将石墨烯作为地电极并掩埋在波导芯层和下包层之间,同时采用金属电极作为调制电极并放置于波导上包层的表面,提出了基于金属-石墨烯复合调制电极的电光开关结构。采用包层调制的电光开关结构和湿法刻蚀工艺,制备了基于金属-石墨烯复合调制电极的MZI型电光开关,器件的开关速度为17 ns。 （3）利用石墨烯的电吸收效应,提出了基于石墨烯/聚合物混合波导的模式可选择光开关。为了实现对MDM系统中空间模式的灵活调控,利用石墨烯电容器与TE偏振光的相互作用,并结合TE11、TE12和TE21模式的光场分布和不同方向上的归一化电场强度,将四个石墨烯电容器掩埋在聚合物少模波导的不同位置,并通过优化各个石墨烯电容器的尺寸和掩埋位置,实现了对TE11、TE12和TE21三种模式的可选择调控。仿真结果表明,调控三种模式所需的功耗分别为12.6p J/bit、126.0 p J/bit和94.5 p J/bit,对应开关时间分别为31 ps、357 ps和250 ps。在C波段内,石墨烯对三种模式的光吸收损耗均高于20 d B/cm。通过设计石墨烯电容器的长度,各模式的消光比均能达到23 d B

关键词： 石墨烯   碳纳米管   导电浆料   LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2   电化学性能  

摘要： 随着电动汽车和便携式电子设备的需求不断增加,高能量密度的锂离子电池技术受到了广泛关注。高镍三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NMC811)因其较高的理论比容量和相对较低的成本而成为研究热点。然而,NMC811的应用受到其在循环稳定性和倍率性能方面的限制,主要是因为Ni2+和Li+的混排以及较低的Co、Mn含量。本研究通过石墨烯导电浆料、碳纳米管导电浆料及其复合导电浆料的制备与应用,探讨这些导电浆料对NMC811电化学性能的影响。 具体而言,0.5%石墨烯/NMC811复合材料的首次充放电比容量达到了 227.31 mAh/g和212.86 mAh/g,库伦效率为93.64%,相比之下,普通的NMC811的首次充放电比容量为210.52 mAh/g和189.59 mAh/g,库伦效率为90.06%。在0.1C倍率下循环100次之后,石墨烯复合材料的容量保持率高达98.2%。 碳纳米管导电浆料的引入同样促进了 NMC811电化学性能的提升,其中2%碳纳米管/NMC811复合材料首次充放电比容量为230.26 mAh/g和216.38 mAh/g,库伦效率高达93.97%,显著优于纯NMC811。 进一步地,通过将石墨烯和碳纳米管复合应用,形成的三维导电网络对NMC811的性能改善最为显著。石墨烯/碳纳米管/NMC811复合材料首次充放电比容量达到了 231.25 mAh/g和218.95 mAh/g,库伦效率高达94.68%,不仅在首次充放电性能上超越了单一导电浆料的改性效果,同时在循环稳定性和倍率性能上也展现了优异的表现。这些改进归功于石墨烯和碳纳米管的协同效应,其中三维导电网络不仅增强了电子导电性,还通过构建的网络结构有效防止了电解液对正极材料的腐蚀,为高镍三元正极材料提供了额外的结构保护。

关键词： 化学气相沉积法   石墨烯   石墨烯场效应晶体管   电学特性   生物传感器  

摘要： 石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶格结构材料,这种新型材料拥有许多独特的性能,包括优异的电学、热学、力学和光学特性。石墨烯独特的结构和特性使其在电子、能源、材料和医学领域都展现出极大的应用潜力。它的双极特性和纳米电子电导特性对于电子器件,特别是石墨烯基场效应晶体管（G-FET）的应用,具有不可替代的作用。G-FET具有电子迁移率高、响应速度快、功耗低等优点,在柔性电子学、传感器、生物医学等领域具有广泛的应用前景。 本论文采用化学气相沉积（CVD）技术在铜箔衬底上成功制备了大面积石墨烯薄膜,并以此为基础构建了G-FET。通过深入探究石墨烯材料本身的特性和G-FET器件的性能,进一步探究了G-FET在生物传感领域的具体应用。主要内容如下: （1）制备了一种基于G-FET的无损实时原位全阶段监测类器官的传感器。该传感器以优异的石墨烯纳米材料作为传感通道,具有超高载流子迁移率、高比表面积以及易于集成和连续实时传感的特点。以肝脏类器官为模型,成功地将类器官培养装置与G-FET集成,实现了类器官发育进程与其生物电信号的同步监控。该传感器在类器官标志物白蛋白检测中展现出了较高的灵敏度、稳定性以及准确性,检测限低至1 pg/m L。在类器官实时监测过程中,这种集成传感器件不仅有效地避免了样本间的组间差异,还实现了类器官命运状态的动力学建模,并成功地评价了药物对肝细胞命运的调节作用。因此,无损实时原位FET传感器（NDRS-FET）在实时、准确、高通量的生物分子检测方面具有广阔的应用前景。 （2）以金纳米颗粒（AuNPs）/石墨烯复合材料为传感界面,构建了一种表面增强拉曼-场效应晶体管（SERS-FET）双模生物传感器,利用光-电双信号的输出实现了微囊藻毒素-LR（MC-LR）的定性和定量检测。基于SERS传感模式,MC-LR适配体探针与MC-LR特异结合,获得了MC-LR的拉曼指纹图谱,对MC-LR进行了准确识别和定性检测。基于FET传感模式,以AuNPs/石墨烯作为传感通道提高了FET传感器检测MC-LR的灵敏度,在磷酸盐缓冲液（PBS）和人血清中的检测限低至a M级。此外,成功实现了实际水样中MC-LR的检测,水中复杂成分并未干扰MC-LR的灵敏检测,这表明该传感器具有极高的特异性。研究表明,SERS与FET结合可以提供更多的检测选择,提高测量结果的可靠性和真实性,在水环境检测领域具有巨大的应用潜力。 （3）设计了一种基于AuNPs修饰的三维（3D）皱褶G-FET传感器,用于无标记和高灵敏的多巴胺（DA）检测。通过将AuNPs/石墨烯复合结构转移到热活化形状记忆聚合物柔性聚苯乙烯薄膜（PS）衬底上进行热处理,形成因热收缩变形而产生的褶皱结构,进一步发展成为用于PBS、人尿和胎牛血清样品中DA检测的高灵敏FET传感器,检测限低至zM级。灵敏度的增强一方面归功于石墨烯纳米级形变增加了比表面积和德拜长度（λD）。另一方面,石墨烯与AuNPs的协同作用有效促进了电子传递,进而提升了石墨烯的载流子浓度。这一协同作用不仅改善了石墨烯的导电性,还增强了其亲水性,显著提高了对DA的检测性能。我们还利用该传感器成功地检测到了PC12细胞在K+浓度刺激下释放的DA,证明了该传感器在实际应用中的适用性。 （4）为了进一步拓展褶皱G-FET传感器的应用,我们对其传感界面进行了改进,成功构建了一种基于L-多聚赖氨酸（PLL）功能化的褶皱G-FET传感器,并用于高灵敏SARS-CoV-2检测。与以AuNPs功能化褶皱石墨烯相比,PLL的功能化显著提高了传感器的亲水性。同时,本研究还比较了平面和褶皱G-FET传感器的电学特性。实验结果显示,褶皱G-FET的电导率和载流子迁移率均显著提升了7倍以上,其灵敏度也提高了2.67倍,检测限低至100 fg/m L。此外,为了验证褶皱石墨烯传感器的特异性,我们对SARS-CoV-2 PLpro类似物以及人工唾液和人血清中的PLpro进行了检测。结果表明,该传感器在特异性方面表现良好,能够有效地识别目标分子。总之,褶皱G-FET传感器可作为一种具有高灵敏度和高特异性的SARS-CoV-2生物标志物检测工具。

关键词： 石墨烯   微纳结构   硫化铅量子点   等离激元   光电探测器  

摘要： 光电探测器在工业、军事、商业和医疗等领域具有至关重要的作用,随着探测情景的复杂化,对宽光谱探测的应用需求日益增加,然而基于传统光电探测材料来实现宽光谱探测往往会增加系统复杂度和制造成本。相比之下,二维材料石墨烯表现出强的光和物质相互作用、高迁移率、低制造成本,更重要的是具有宽光谱吸收（紫外到太赫兹）,这为宽光谱探测的实现提供了新思路。但是石墨烯自身光吸收和增益较低,阻碍了石墨烯在光电探测领域的进一步应用。 现有研究表明,人工微纳结构与光子的高效耦合在高增益石墨烯光电探测中具有巨大应用潜力。因此,本文围绕微纳结构增强石墨烯与光之间的相互作用,分别采用量子点/石墨烯异质结构和石墨烯纳米十字条带结构来激发表面等离激元的手段,来提高石墨烯光电探测性能,具体如下: 1.针对石墨烯光在可见光和近红外波段吸收低的问题,采用硫化铅（PbS）量子点与石墨烯精准堆叠形成异质结构,成功实现了高响应的可见-近红外石墨烯光电探测器。系统的研究了石墨烯-硫化铅量子点复合器件制备方法,包括石墨烯转移、刻蚀、电极制备、量子点沉积和配体交换技术。探究了单一石墨烯探测器和石墨烯-量子点异质结构光电探测器的光电性能,通过实验对比发现量子点微纳结构有效提高了石墨烯探测器光吸收。结合能带理论分析表明,量子点吸收可见光和近红外光后,产生大量电子空穴对,在内建电场作用下空穴传输到石墨烯,使得器件在可见光到近红外波段均有较强光响应。基于量子点与石墨烯异质结构的光电器件表现出优异性能,在波长520 nm激光照射下,探测器响应度达1×10～7A/W,比探测率达4.1801×1013Jones。 2.针对石墨烯-量子点复合结构探测波段无法探测中远红外波段光问题,本文设计了一种具有微纳表面结构的可调谐中红外石墨烯光电探测器。有限元法仿真结果表明,利用石墨烯的纳米十字条带结构可有效激发石墨烯表面等离激元效应,从而极大增强了石墨烯在中红外波段的光学吸收（～0.33%到～33.5%）。其次,利用非易失性铁电畴调控石墨烯费米能级的手段替代了传统栅极调控的方式,改变石墨烯费米能级和结构参数实现器件在9～14μm波长范围内的响应调谐。理论计算表明,提出的石墨烯等离激元探测器具有超高响应度,达5.67×10～5 A/W。

关键词： 可剥离涂料   水性聚氨酯   氧化石墨烯   分散性   原位聚合法  

摘要： 本文采用原位聚合法制备了一种异氰酸酯改性氧化石墨烯(GO)复合水性聚氨酯可剥离涂料,探讨了影响改性氧化石墨烯分散性及涂膜力学性能等诸多因素,论文分为两个部分: 第一部利用三种异氰酸酯4,4`-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、2,4`-甲苯二异氰酸酯(TDI)、异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)对氧化石墨烯进行改性,得到改性氧化石墨烯产物MDI-GO、TDI-GO及IPDI-GO,并通过FT-IR、XPS、XRD、SEM等手段对三种改性氧化石墨烯进行了测试表征。结果表明,异氰酸酯成功接枝到氧化石墨烯片层表面,三种改性氧化石墨烯中;IPDI-GO的分散性最佳,改性效果最好;而MDI-GO的反应程度最高,片层堆叠严重,分散性最差。探究了TDI用量对改性效果的影响,结果表明,随着TDI添加量的增加,TDI-GO的片层结构缺陷程度提高,层间距增加。 第二部分采用拉伸及剥离等手段测试了聚丙二醇(PPG)与聚己二酸-1,4-丁二醇酯(PBA)的占比、R值(反应体系中-NCO基团与-OH基团的摩尔比)以及IPDI-GO添加量等因素对水性聚氨酯涂膜性能影响。结果表明,随着PBA占比的提高,涂膜的剥离强度逐渐提高,耐水性能下降;PBA型聚氨酯比PPG型聚氨酯的拉伸强度提高73.8%,断裂伸长率降低17.5%。当合成水性聚氨酯乳液的R值为1.44时,聚氨酯具有较佳的使用性能,此时拉伸强度为26.72Mpa,断裂伸长率为324%,剥离强度最大达1.14N/mm;当亲水扩链剂DMPA的添加量为5%时,聚氨酯乳液可以达到较为稳定的储存效果。三种改性产品中,IPDI-GO在乳液中的分散性最佳。随着IPDI-GO含量的增加,涂膜的拉伸强度、断裂伸长率与剥离强度都呈现先升后降的趋势,这是由于IPDI-GO含量过高时,会在涂膜内部产生团聚导致涂膜性能下降。当IPDI-GO添加量为0.3wt%时具有最大拉伸强度36.4Mpa,当IPDI-GO添加量为0.5wt%时具有最大断裂伸长率421%以及最大剥离强度1.33N/mm。在乳液中添加流平剂BYK-333与润湿剂Lencolo 8766后,涂膜的流平效果以及涂膜中出现缩孔气孔等的现象有明显改善;随着润湿剂Lencolo 8766的含量增加,涂膜的剥离强度先增后降,当添加量为1wt%时,剥离强度达到最大的1.17N/mm。

关键词： CTNI   三明治型复合物   ITO   磁控石墨烯场效应管生物传感器   适配体  

摘要： 心肌肌钙蛋白I(Cardiac Troponin I,CTNI)是一种特异性较高的心肌损伤标志物,当心肌细胞受损时,CTNI会被释放到血液中。因此,CTNI的高灵敏度浓度检测可以帮助医生诊断心肌梗死、心肌炎等心脏疾病。石墨烯场效应管(Graphene Field-Effect Transistor,GFET)生物传感器用于CTNI的高灵敏度检测是一种具有前景的检测技术方法,但传统的GFET生物传感器需要在待测液中插入Ag/Ag Cl电极来施加栅极电压形成双导电层,这样有可能影响待测物浓度。所以构建了一种不需要施加栅极电压的磁控石墨烯场效应管生物传感器(Magnetic Graphene Field-Effect Transistor Biosensor,MGFETB)来实现对CTNI浓度的高灵敏度检测。首先,本文采用CVD方法生长制备单层石墨烯,并采用湿法转移将石墨烯薄膜转移到两端涂有氧化铟锡(ITO)的导电玻璃上,以建立导电通道。然后,使用1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯(PBASE)作为媒连介质将CTNI适配体固定到石墨烯薄膜上作为捕获探针,接着将CTNI抗体与羧基修饰的磁珠(Magnetic Beads,MB)结合制备抗体功能化磁珠,将固定完的CTNI适配体和修饰后的磁珠分别使用荧光法进行表征确保充分结合。最后将一定浓度的CTNI和抗体修饰后的磁珠添加到反应室中,形成适配体/CTNI/抗体功能化磁珠这种夹心型免疫复合物链。在施加外部周期性磁场时,磁场会造成磁珠的机械性运动,引起夹心型免疫复合物链的弯曲,改变石墨烯薄膜与待测溶液之间的导电层距离,导致石墨烯的阻抗发生周期性改变。 实验室自制了实时数据采集系统。该系统由磁场施加控制模块、信号调理模块、数据采集模块和Lab VIEW模块组成,实现数据的实时检测。由于磁场具有周期性,因此可利用取样积分方法对数据进行处理,以提高检测信噪比,从而达到高灵敏度检测。在传感器中加入不同浓度的CTNI,浓度范围在10pM至1μM之间,石墨烯阻抗和CTNI浓度线性相关系数为0.995,所以表现出了良好的线性度。由于本文传感器特异性基于适配体构建,因此,磁控石墨烯场效应管生物传感器不仅可以检测CTNI,还可以作为通用检测平台,检测其他基于适配体检测的目标物,在疾病诊断、环境检测中有良好的应用潜力。