关键词： 聚羧酸型减水剂改性石墨烯   石墨烯   水基润滑剂   润滑机理   摩擦磨损  

摘要： 石墨烯作为纳米添加剂可显著提高水基润滑剂的性能。然而,石墨烯在水基润滑剂中分散稳定性差是目前需要解决的问题,使用改性剂对其表面进行改性可以有效提高石墨烯分散性。此外,目前的共价改性方法不但会破坏它的本征结构,影响其机械性能,而且工艺还复杂,不利于批量化生产。 对此,本研究在不破坏石墨烯本征结构前提下,以高效环保的聚羧酸型减水剂(polycarboxylate superplasticizer,PCE)作为改性剂对三维石墨烯(three-dimensional graphene,3DG)表面进行共价改性,制备出一种具有优异分散稳定性和便于批量化生产应用的聚羧酸型减水剂改性石墨烯纳米材料(polycarboxylate superplasticizer modified graphene,PCEG),并探究了PCEG水基润滑剂的摩擦学性能以及高速极压条件下的抗磨性能。实验结果表明PCEG在水基润滑剂中能稳定分散三个月以上。同时,在载荷20 N(2.7 GPa)重载条件下,添加量为0.5 wt%的PCEG水基润滑剂润滑效果最佳,摩擦系数和磨损面积分别降低了31.1%和23.1%,表现出了良好的摩擦学特性。在高速极压条件下,虽然PCEG润滑剂的摩擦系数降低了58.8%,但是它在改善磨损面积方面作用不佳,不能发挥有效的抗磨效果。 研究揭示PCEG水基润滑剂的润滑和磨损机理,解释其摩擦学性能提升的原因。PCEG具有高效的分散稳定性,可在摩擦表面产生强大的吸附力进而形成连续致密的润滑膜,在摩擦过程中它还能填充和抛光磨损表面的沟槽和凹坑,减少了摩擦磨损,增强了PCEG水基润滑剂摩擦学性能。而在高速极压工况,PCEG纳米颗粒在摩擦表面形成的润滑膜吸附力不强,起不到有效的润滑作用,并且PCEG也容易团聚形成磨粒,加剧磨损,磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损两种形式。本研究不仅大大解决了石墨烯分散稳定性差的问题,制备出一种高效环保的水基纳米润滑剂,而且可实现一定的大规模生产以及应用于重载荷的工况环境,这也为后续研究高性能和优异稳定性的石墨烯基润滑剂提供了重要的参考价值。

关键词： 富锌涂层   石墨烯   阴极保护   水滑石  

摘要： 凭借着优异的不可渗透性和优良的导电性能,石墨烯已经成为增强富锌涂层防腐性能的关键材料。然而,石墨烯的褶皱和折叠特性使得实现理想性能提升效果需要高载量的石墨烯,但高载量的石墨烯会削弱涂层的防腐效果并缩短其服役寿命。此外,锌颗粒在严苛腐蚀环境中的“过活跃”响应也会缩短富锌涂层的实际服役寿命。因此,论文从两个方面进行了深入探讨:一方面是对石墨烯进行形貌调控来考察超低载量的展开石墨烯对富锌涂层防腐性能的影响;另一方面则是利用水滑石负载缓蚀剂以探究自愈合材料对富锌涂层防腐性能的影响。主要研究内容和结果如下: （1）通过化学键将展开石墨烯GNs锚定在水滑石LDHs表面,制备了具有片状夹层结构的LDHs/GNs纳米复合材料（LG）。表征显示石墨烯借助化学键C-O-Si成功的锚定在水滑石表面并且其表面原本存在的折叠等不良形貌被消除。将复合材料LG分别加入到球形富锌涂层以及鳞片状富锌涂层中,研究了其对富锌涂层防腐性能的提升效果。相应的电化学测试表明,在球形富锌涂层中,超低净石墨烯载量（0.007 wt.%）的LG/ZRE在3.5 wt.%NaCl溶液中对碳钢的阴极保护时间达到4272 h,比ZRE和0.2GNs/ZRE（石墨烯载量为0.2 wt.%）分别长3000 h和480 h。在鳞片状富锌涂层中,超低净石墨烯载量（0.00952 wt.%）的LG/SZC在3.5 wt.%NaCl溶液中对碳钢的阴极保护时间达2300 h,比SZC和GNs-0.3/SZC（石墨烯载量为0.3 wt.%）分别长1500 h和1300 h。 （2）通过离子交换法将缓蚀剂MBT负载至锌铝水滑石层间,制备了具有片状夹层结构的水滑石/石墨烯自愈合材料Zn-Al@MBT/rGO。表征结果表明,缓蚀剂能够通过离子交换法成功负载至水滑石层间并且其负载当量约为6.8 wt.%。将Zn-Al@MBT/rGO作为填料加入富锌涂层中,研究了其自愈合特性对富锌涂层防腐性能的影响。相应的电化学测试表明,Zn-Al@MBT/rGO不仅具备优异的屏蔽提升性能而且还表现出了良好的自愈合效果。与ZRE（-0.86 V）、Zn-Al-NO3/ZRE（-0.88 V）和Zn-Al@MBT/ZRE（-0.92 V）相比,Zn-Al@MBT/rGO/ZRE划伤涂层在600 h时仍表现出稳定的阴极保护（-0.97 V）,并且其低频阻抗模值至少提升了半个数量级。此外,经过480 h的中性盐雾加速实验,Zn-Al@MBT/rGO/ZRE涂层表现出优异的耐腐蚀性能。

关键词： 木材   基质模板   超级电容器   还原氧化石墨烯   MnO2   三元杂原子掺杂  

摘要： 随着世界范围内工业领域的快速发展,能源与环境之间的矛盾日益加剧,研发电化学能量转换和存储装置是当今社会面临的重大挑战。木材是一种可生物降解和可再生的材料,具有天然的分级多孔结构、优异的机械性能和异样的物理化学性质。木材及其衍生材料在制造先进的储能材料、柔性电子材料和清洁能源等方面具有巨大的资源潜力。本论文以北京杨和樟子松为基质原材料,通过水抽提法和脱木素法进行多孔结构调控制备木材基质模板材料。然后利用脉冲式真空浸渍处理技术,将导电性能优异的石墨烯与基质模板结合,构筑具有良好电化学性能的导电集流体。但是作为一种实用型的生物质电极,仅凭借集流体自身的储能是远远不能满足使用需求。为进一步提升电极的电荷存储能力,本研究采用水热法、氧化聚合法和热处理法对集流体进行一系列的改性研究,通过多种手段合成高性能的木基电极材料,并将这些电极分别组装成超级电容器（SCs）,探究单电极在器件中的使用价值。本工作为储能领域中可再生SCs的设计与开发提供了一定的理论基础,并对生物质电化学储能技术的合成与应用前景进行了展望。具体研究成果如下: （1）利用脱木素和水抽提的方法对北京杨和樟子松实施孔隙调控技术,通过N2吸脱附测试发现北京杨的吸附量大于樟子松,这主要是因为北京杨含有更多的介孔和大孔。微孔可以在电极中起到存储电解液的作用,保证电极与电解液充分接触;介孔和大孔可以缩短电子传输和离子扩散路径,促进快速的电流响应。以未处理素材为对照,经过热处理制备6种木材衍生碳电极（WC）。通过微观形貌观察与表征,发现6种碳材料均保留了天然木材的分级多孔结构特点。其中,水抽提处理北京杨制备的碳材料（WPC）具有最佳的电容性能。将导电的还原氧化石墨烯（RGO）与WPC进行复合,构筑RGO@WPC（RWPC）导电集流体。对其进行导电性与电化学性能测试,结果表明RWPC的平均电导率高达15.38 S m-1,为电子的快速传输提供了有力的保障。当电流密度为1 m A cm-2时,比电容提升至2100 m F cm-2。RGO与分级孔结构的协同贡献使RWPC具有成为自支撑电极的潜力。 （2）为优化RWPC的电化学性能,采用水热法在RWPC中原位负载具有高理论电容的MnO2,成功合成RWPC-MnO2电极。探究KMnO4的浓度对电化学性能的影响。结果表明当KMnO4的浓度为20 m M时,合成的MnO2具有冰凌状结构,这种独特的结构可以极大的缩短电子传输和离子扩散的路径。制备的RWPC-20MnO2电极也表现出最佳的性能。当电流密度为1 m A cm-2时比电容可达214 F g-1(8.22 F cm-2)。以RWPC-20MnO2为正极,活性北京杨衍生碳(AWC-2)为负极,构建非对称超级电容器（ASC）RWPC-20MnO2//AWC-2。该装置的工作电压可扩宽到2 V,最大能量密度为1.5m Wh cm-2(52.3 Wh kg-1),最大功率密度为44.8 m W cm-2(1642.7 W kg-1)。经过10000次循环充放电,电容保持率为81.4%,展示出良好的循环稳定性。 （3）为进一步优化电极的电化学性能,以RWPC-MnO2电极中的MnO2为氧化剂,苯胺在酸性（HCl）环境中发生氧化聚合反应,成功实现RWPC-MnO2电极向RWPC-PANI电极的转换。通过微观形貌及化学成分表征,发现在RWPC中成功合成含有质子化祖母绿碱（EB）形式的导电PANI,且MnO2作为氧化剂几乎被完全消耗。通过改变HCl的浓度来控制PANI的形态。当HCl浓度为1 M时,RWPC-PANI电极的电容性能最优。当电流密度为1 m A cm-2时比电容为1476.2 F g-1(9796.6 m F cm-2),倍率性能远高于RWPC-MnO2电极。以RWPC-PANI作为独立电极构建RWPC-PANI//AWC-2。该装置的工作电压可扩宽到2.3 V,最大的能量密度为102.4 Wh kg-1(0.52 m Wh cm-2),最大的功率密度为3388.1 W kg-1(17.30 m W cm-2)。经过10000次循环后,ASC的电容保持率为84.1%。 （4）双金属硫化物在SCs中可以提供较高的法拉第赝电容。首先采用水热法,在RWPC中原位合成Co Ni氧/氢氧化物,通过控制Co和Ni的反应比来制备不同形貌的产物。对产物的微观形貌及电化学性能进行表征,发现当Co:Ni为1:2时,制备的Co Ni2氧/氢氧化物呈现纳米花结构,且具有最高的电容量。进一步对Co Ni2氧/氢氧化物进行水热硫化处理,成功制备具有纳米花结构的RWPC-Co Ni2S4电极。当电流密度为3 m A cm-2时可以提供13700 m F cm-2的比电容。以RWPC-Co Ni2S4作为独立电极构建R

关键词： 三维石墨烯泡沫   Fe3O4空心微球   电磁参数   吸波性能   电磁损耗机理  

摘要： 随着电子信息技术的迅速发展,以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、宽带雷达等为代表的新一代信息技术正在加速应用于我们的日常生活、国民经济及国防安全领域,然而无线技术带来的日益复杂的电磁环境对人类健康和信息安全造成了日益严重的威胁。电磁波吸收材料在吸收和衰减电磁波方面发挥着举足轻重的作用,因而备受关注。与传统二维石墨烯片相比,三维石墨烯泡沫不仅能够有效避免石墨烯片层的自堆积,并且其丰富的多孔网络结构有利于对电磁波产生多重反射、散射和衰减。同时,通过将石墨烯泡沫与磁性空心微球构建磁性石墨烯,有利于改善石墨烯表面的阻抗匹配特性并显著提高其电磁波损耗能力,因而为设计制备具有薄、宽、轻、强综合性能的吸波材料提供一条新的思路。 本文采用溶剂热法和高温煅烧法相结合首先制备具有空心结构的Fe3O4微球,然后通过表面修饰将其锚定在二维氧化石墨烯（GO）纳米片上,随后利用溶剂热法构筑负载超顺磁性Fe3O4空心微球的三维超弹石墨烯泡沫（Graphene foam,GF）复合材料。 研究结果表明,Fe3O4/GF复合材料的微观形貌呈现三维多孔网络结构,经过表面修饰的磁性Fe3O4空心微球均匀分布在石墨烯表面。与单一的石墨烯泡沫和Fe3O4空心微球相比,Fe3O4/GF复合材料具有更加优异的反射损耗和有效吸收频宽:在超低的填充比（5wt%）下,其最小反射损耗值在频率为14.09GHz时达到-63.97dB,匹配厚度仅为2.4mm,且反射损耗小于-10d B的有效吸收频带达到5.61GHz（11.88-17.49GHz）。 通过调节Fe3O4/GF复合材料中Fe3O4微球的添加量分别为30、45、60、75和90mg,研究磁性组分含量对复合材料吸波性能的影响规律。分析结果表明,随着磁性Fe3O4微球含量的增加,复合材料的最小反射损耗值先增强后减弱,当磁性Fe3O4微球含量为60mg时,阻抗匹配和衰减特性达到最佳协同效应,Fe3O4/GF复合材料表现出最佳的吸波性能。 通过改变Fe3O4/GF复合材料的煅烧温度（300℃、400℃和500℃）,探究煅烧温度对复合材料吸波性能的影响。分析结果表明,随着煅烧温度的增加,复合材料的最小反射损耗值明显向低频方向移动,当煅烧温度为400℃时,复合材料的最小反射损耗值-45.30d B出现在7.38GHz处,说明合理的煅烧温度有利于Fe3O4/GF复合材料往低频方向呈现更为优异的电磁波吸收性能。

关键词： 金纳米颗粒   金属光栅微纳结构   局域表面等离子体共振   传播表面等离子体共振   脉冲光纤激光器  

摘要： 短脉冲光纤激光器具有低功耗、低成本、高光束稳定性等优势,在光纤通信、医疗、微加工等领域具有广泛的应用。基于可饱和吸收体（SA）进行被动调Q或锁模是获得短脉冲激光的有效方法,因而引起众多研究者们的极大兴趣。众多新型材料的快速发展,如石墨烯（Gr）、碳纳米管、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体等作为SA可以实现短脉冲激光输出,特别是Gr,因其具备超快载流子弛豫时间、高载流子迁移速率等优点,得到了广泛关注。但是Gr的光吸收能力一般来说比较弱,且损伤阈值较低,这在很大程度上限制了Gr的应用。近年来,研究者们通过优化制备过程、调整结构设计等方法不断地提高和优化Gr的特性,值得注意的是,金属表面等离激元结构引起的表面等离子体共振（SPR）能够带来近场局域增强等优异的光学特性,并通过激发方式及材料结构设计可以对光进行有效调控,可被应用于光催化、传感器研究、超分辨率成像等领域。其中,局域表面等离子体共振（LSPR）和传播表面等离子体共振（PSPR）由于特殊结构的存在可以极大增强微纳结构附近的电场强度,从而增加原器件的光吸收能力,获得更高质量的光学非线性输出特性及优异的脉冲激光输出性能。本论文围绕着如何利用具有SPR的金属微纳结构作为SA及采用金属微纳结构激发的LSPR和PSPR效应对石墨烯可饱和吸收体（Gr-SA）进行优化研究,成功地制备了1550 nm波段短脉冲光纤激光器,并实现了高质量的脉冲输出。主要研究内容及所取得结果如下: （1）金纳米颗粒（Au NPs）光学非线性研究及脉冲光纤激光器研制。通过离子注入技术将Au离子以注入能量100 ke V,注入剂量1×1017/cm2为参数注入到Si O2介质膜中,离子注入后形成了Au NPs。受光照激发时,Au NPs表现出强烈的LSPR效应,导致金属纳米粒子表面电荷密度振荡,大量的入射光被Au NPs吸收。Au NPs的电子在外光场作用下发生极化,使其周围的电场显著增强,产生共振增强吸收,表现出高三阶非线性效应。等离子体Au NPs可周期性地调节腔内损耗并诱导饱和吸收效应,将其集成在光纤激光器系统中,实现了重复频率为33.3 k Hz、单脉冲能量为11.7 n J的稳定高质量调Q脉冲光纤激光器。 （2）研究利用Au NPs产生的LSPR效应对Gr光学非线性的影响。通过模拟初步确定样品的Si O2层厚度为130 nm,研究Gr样品、覆盖Si O2介质膜的Gr样品、Au NPs样品、Au NPs/Gr四类样品的光学非线性性能,并对这四种样品的短脉冲激光器输出特性进行比较。由于Gr和Au NPs间的共振能量转移不受电子能带结构的匹配以及电荷平衡的常规限制,通过近场电磁相互作用,等离子体能量可以直接转移到Gr的电子空穴对。同时Au NPs周围局域电磁场增强产生使得Gr的电荷分离效率及电子带间跃迁速率有所提高,进而表现为Gr的可饱和吸收性能有所增强。因此Au NPs/Gr样品体现出了优于其他三种样品的光学非线性特性,将其集成到光纤激光器系统中,实现了平均功率2.93 mW的脉冲激光输出。通过控制Au NPs与Gr之间的耦合距离,探究了LSPR与Gr之间的耦合距离对输出特性的影响,得出Si O2层在该离子注入情况下的最佳厚度为130 nm,并且随着耦合距离的增大,输出性能越差的结果。 （3）研究金属光栅微纳结构对Gr光吸收能力的影响。由于传播型表面等离激元波矢大于入射光波矢,无法激发出PSPR,因此本文采用金属光栅结构进行波矢补偿,实现波矢匹配,激发出PSPR从而增强Gr-SA的性能。在Au膜上覆盖Gr-SA再盖Si O2介质膜,在此结构上再制备金属光栅微纳结构。首先通过FDTD进行模拟,证明周期性金属光栅微纳结构可以有效地激发PSPR进而增强电场,可以提高样品对光的吸收能力,有助于实现更高性能的脉冲激光输出。在此基础上,进一步研究了金属光栅及Au NPs微纳结构共同对Gr-SA光学非线性特性的影响。通过模拟可以看出将Au NPs结构与金属光栅微纳结构相结合后将进一步增强Gr-SA的光吸收能力,这为实现更高性能的脉冲激光输出提供了一种有效的思路。

关键词： 异质结构   石墨烯   金属硫化物   复合材料   负极   锂离子电池   钠离子电池  

摘要： 过渡金属硫化物因其具有高的理论容量,引起了广大研究者的兴趣,成为近年来功能材料领域的研究热点。面对过渡金属硫化物的低导电率、高电压滞后性和反应过程存在体积变化等问题,可以通过对其进行构建异质结构和将其与碳质基质复合等方法进行探究改性,提升材料的导电性能的同时,提高材料的循环稳定性。本文讨论了三种不同形貌的双金属硫化物异质结构复合材料,分用作锂/钠离子电池负极的电化学表征如下: （1）一步水热方法合成了花状前驱体Sb2MoO6,以升华硫粉为硫源,经过高温煅烧得到Sb2S3/Mo S2异质材料,以改良的Hummers法制备的氧化石墨烯（GO）为碳源,通过静电自组装复合包覆后,进一步锻烧还原得到花状Sb2S3/Mo S2@rGO复合材料。当不同氧化石墨与中间产物质量比例为1:5时,花状Sb2S3/Mo S2@rGO复合材料在储锂、储钠过程中,表现出更佳的循环特性。在储锂过程中,0.1 A g-1下循环150圈后,仍有991.1m Ah g-1的可逆容量,库伦效率为98.4%,在储钠过程中,0.1 A g-1下循环150圈后,仍有619.5 m Ah g-1的可逆容量,库伦效率为99.0%。其稳定的电化学能力由来如下:独特空间约束效应的二元金属硫化物异质结构,形成的内置电场,加速离子的转移,还原氧化石墨烯修饰,为复合材料提供高导电性和结构稳定性。 （2）通过简单的搅拌共沉淀、水热、高温煅烧和静电自组装法等方法制备了十二面体CoS2/Sb2S3/NC/CNTs@rGO复合材料。当中间产物和不同氧化石墨质量比例为4:1时,十二面体CoS2/Sb2S3/NC/CNTs@rGO复合材料在储锂、储钠过程中,表现出更佳的循环特性。在储锂过程中,0.1 A g-1下循环150圈后,仍有958.1 m Ah g-1的可逆容量,库伦效率为98.5%,在储钠过程中,0.1 A g-1下循环150圈后,仍有643.7 m Ah g-1的可逆容量,库伦效率可维持在98.3%以上。其稳定的电化学能力来源于:得益于CoS2和Sb2S3之间的异质结构协同作用、石墨烯和碳纳米管的高导电特性,使得电极材料的离子扩散能垒和电荷转移电阻有效降低,更大限度地其发挥储能效果。加上自身的核壳结构,使得材料拥有较大的比表面积,进一步扩大电极材料和电解质之间的接触面积,促进Li+/Na+的传输,加速反应动力学。 （3）通过简单的水热、静电自组装法和高温煅烧等方法制备了棒状Sb2S3@Mo7S8@rGO复合材料。Sb2S3和Mo7S8材料形成异质结构,利用两者在转化过程中形成的内置电场,显著缓解了周期性充放电过程中的体积膨胀。Mo7S8和还原氧化石墨烯的纳米片层结构,使得材料拥有较大的比表面积,进一步扩大电极材料和电解质之间的接触面积,促进Li+/Na+的传输,加速反应动力学。在储锂过程中,0.1 A g-1下循环150圈后,仍有798.6 m Ah g-1的可逆容量,库伦效率为98.7%,在储钠过程中,0.1 A g-1下循环150圈后,仍有634.9 m Ah g-1的可逆容量,库伦效率可维持在99.0%以上。得益于这特殊的形态构建,使得Sb2S3@Mo7S8@rGO复合材料作为锂/钠离子负极材料时,使得电极材料的离子扩散能垒和电荷转移电阻有效降低,更大限度地其发挥储能效果。

关键词： 密度泛函理论   石墨烯   单原子催化剂   双原子催化剂   电催化N2还原  

摘要： 氨（NH3）在化肥生产和化学能源领域中扮演着至关重要的角色。随着全球人口的不断增长,对NH3的需求逐年增加。传统的Haber-Bosch工艺虽然是当前工业上最常用的合成方法,但其高耗能和大量温室气体的排放问题亟待解决。因此,寻求更为环保、经济且绿色可持续的合成氨方法来代替Haber-Bosch工艺势在必行。电催化氮气还原（e NRR）合成氨因其反应条件温和、原料来源广泛且无温室气体排放等优势,被认为是合成氨的一种潜在的新途径。然而,在实际应用中,e NRR仍然面临法拉第效率较低、氨产率有限以及选择性差等问题,阻碍了其工业化应用。在这一背景下,开发和设计高性能的催化剂成为解决问题的关键。本文通过密度泛函理论计算,设计了一系列氮氧掺杂石墨烯负载的双原子和具有拓扑缺陷的石墨烯负载的单原子催化剂,并探究了其在e NRR中的催化性能,旨在为新型高效的NRR电催化剂的设计提供理论参考。具体内容如下: 1.氮氧掺杂石墨烯上双原子催化剂电催化还原N2的第一性原理研究 配位环境的调控是提高催化性能的一种有效策略。本研究基于DFT计算,设计了48种具有N4O2配位的石墨烯负载的双原子催化剂（MM′@N4O2-G）,并系统地研究了其在e NRR中的催化性能。经过一系列筛选,我们深入探究了八种催化剂的e NRR的反应路径,结果表明,这八种MM′@N4O2-G具有优异的e NRR催化活性,限制电压为-0.20～-0.44 V之间。最后,通过电子结构分析深入理解了活性位点与N2分子之间的“接受-反馈”机制。研究发现,催化剂的限制电压与活性位点的d带中心呈现良好的火山型关系,表明双金属间的协同作用能够调节活性中心金属M的d带中心位置,从而调控反应活性。此外,通过对比e NRR与析氢反应的限制电压,评估了催化剂的选择性,并最终确定了五种潜在的NRR催化剂（MM′@N4O2-G,MM′=Mo Fe、Mo Co、Mo Cr、Mo Mn和VV）。 2.单TM-N4位点嵌入拓扑缺陷石墨烯用于电催化氮还原 缺陷工程能够有效调控以石墨烯为载体的SACs的催化活性。通过DFT计算,我们研究了引入拓扑缺陷的石墨烯负载的一系列过渡金属单原子催化剂（TM-N4-C57,TM=Sc～Cu,Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W以及Re）的电催化NRR性能。通过梯度筛选的策略,从稳定性、N2的吸附强度、活性位点的竞争吸附、催化活性、热稳定性以及选择性等多个方面,最终从16种候选催化剂中筛选出两种具有优异的催化活性以及选择性的潜在e NRR催化剂（Mo-N4-C57和Nb-N4-C57）。这两种催化剂上NRR反应路径分别为连续路径和混合路径,限制电压分别为-0.21和-0.41 V。通过对催化剂的态密度和Bader电荷分析,阐明了其活性来源。本研究为电催化剂活性中心金属原子第二壳层拓扑缺陷碳修饰的调控策略提供理论依据。

关键词： 超表面   吸收器   可调谐   二氧化钒   石墨烯  

摘要： 超表面是一种经过精细设计的人工亚波长结构,其通过调整单元结构和周期性排列来精确控制电磁性能。超表面吸收器则是在超表面的基础上,通过引入特殊损耗机制来高效吸收电磁波。目前,大部分超表面吸收器面临频带窄、效率低和可控性不足的挑战。因此,多功能且可调谐的超表面吸收器成为了研究的热点。本文以可调谐超表面吸收器为研究对象,开展以下两方面的研究工作: (1)本文提出了一种以二氧化钒为核心材料的超表面吸收器,该吸收器能够展现出窄带和宽带两种可调谐的吸收特性。当二氧化钒在绝缘状态(电导率设定为20S/m)时,在7.51 THz处存在一个吸收率为99.6%的窄带的吸收峰,高品质因数为187.75,数值计算证明了利用该窄带峰进行的折射率传感应用,并获得了3830nm/RIU的高灵敏度,对于传感应用而言,这是一个非常理想的性能指标。当二氧化钒处于金属状态(电导率设定为1×10～5 S/m)时,在3.97-6.82 THz范围内实现吸收率超过90%宽带吸收,且该器件具备良好的广角吸收特性。 (2)本文提出了一种基于二氧化钒与石墨烯混合材料的可调超表面吸收器,该器件成功地在宽带和双频带范围内实现了高效的吸收功能。在石墨烯为绝缘状态(费米能级设定为0 eV)和二氧化钒为金属状态(电导率设定为2×10～5 S/m)的条件下,所开发的器件在1.36-5.48 THz频率范围内展现出超过90%的宽带吸收率。当石墨烯是金属状态的情况下(费米能级设定为1 eV),而二氧化钒保持在绝缘状态(电导率设定为20 S/m),该器件展示了双频段吸收器的独特性质,第一个频带的范围是1.38-2.47 THz,第二个频带的范围是5.03-5.63 THz。此外,宽吸收光谱和双频带吸收光谱都保持了较强的偏振无关特性,并在宽入射角下运行良好。