关键词： 再生集料   氧化石墨烯   水泥   无侧限抗压实验   三轴试验   微观测试  

摘要： 随着经济快速发展,城市中基础建筑设施和房屋建筑的重建产生了大量的建筑拆除废料,建筑废料大规模的填埋、堆积不仅浪费土地资源,也不符合废物循环利用的理念。其中道路拆除废料经历破碎筛分后与水泥混合可以作为一种道路建筑材料修建道路,氧化石墨烯(GO)可以改善水泥基材料的性能,因此使用GO改性水泥稳定再生集料进行道路路基施工,实现道路拆除废料的循环利用。基于此,本研究从改性强度、耐久性、动力学特性等方面对GO改性水泥稳定再生集料进行研究,主要内容如下:(1)GO对水泥稳定再生集料力学性能影响通过无侧限抗压试验和不固结不排水抗剪试验,研究GO含量、养护龄期等因素对水泥稳定再生集料力学性能的影响:抗压强度、抗剪强度的影响规律。结果表明:添加GO提高了水泥稳定再生集料的抗压强度、抗剪强度,并随着GO含量的增加,抗压强度、抗剪强度先增大后减小。在GO含量为0.02%时,水泥稳定再生集料的抗压强度、抗剪强度达到最高。(2)GO对冻融循环后水泥稳定再生集料力学性能的影响通过无侧限抗压试验和动三轴试验,研究冻融循环对水泥稳定再生集料力学性能的影响:抗压强度、动剪应力的影响规律。结果表明:GO的添加提高了水泥稳定再生集料的抗压强度、动剪应力,并随着GO含量的增加,抗压强度、动剪应力先增大后减小。在GO含量为0.02%时,水泥稳定再生集料的抗压强度、动剪应力达到最高。本研究提出一种指数型函数描述动剪应变-动剪应力曲线,考虑GO含量与冻融循环次数的影响,整合数据得出符合研究结论的动剪应变-动剪应力模型。(3)GO对水泥稳定再生集料的微观机理通过扫描电子显微镜研究GO对水泥稳定再生集料的形貌、孔隙结构。结果表明:GO的添加能够调节水化产物的形貌,填充孔隙,使得试样内部更加密实。通过IPP软件对扫描图像进行分析,并建立了孔隙面积比与无侧限抗压强度的拟合公式。

关键词： 磁控溅射   碳基复合薄膜   石墨烯   摩擦学性能  

摘要： 碳基复合薄膜由于高硬度、低摩擦系数、优异的耐磨性、耐腐蚀性等优点,可以被广泛应用于机械和军事等高新技术领域。近年来,随着研究的不断深入,如何利用简便的沉积工艺制备得到高性能的碳基复合薄膜成为推动其进一步工业化应用首要解决的问题。因此本文采用单靶直流反应磁控溅射沉积系统,在非晶碳薄膜中原位生长石墨烯结构,制备石墨烯/非晶碳复合薄膜。主要内容如下:本文首先介绍了非晶碳基薄膜的研究背景、组成分类、制备技术、性能与应用领域,然后对实验所使用的设备、预处理过程、以及薄膜制备过程。为了进一步观察所制备薄膜的结构与性能,采用SEM、EDS、TEM等测试方法,系统分析了薄膜的表面截面形貌、元素组成和内部结构;并使用纳米压痕仪测量薄膜的硬度和弹性模量,采用球盘摩擦测试仪测量薄膜的滑动摩擦系数和寿命,使用非接触表面轮廓仪观察摩擦测试后制备的薄膜的磨损形貌。为了在不锈钢和单晶硅片表面制备石墨烯/a-C:H复合薄膜,选择金属Ni作为实验的金属靶材,是由于金属Ni和碳形成的碳化镍可以很好的催化石墨烯的生长。在实验过程中,通过调节CH气流比和溅射功率,详细研究了CH气流比和溅射功率对石墨烯/a-C:H复合薄膜结构与性能的影响。结果表明在30%CH气流比,200 W溅射功率下制备出了性能优异的石墨烯/a-C:H复合薄膜,在大气环境下平均摩擦系数最低为0.092。为了探究过渡金属元素对碳基复合薄膜结构与性能的影响,进一步引入与碳元素具有较强化学作用的金属Ti作为碳基复合薄膜的掺杂元素。在实验过程中,调节CH气流比,发现在25%CH气流比下,所制备的a-C:H/Ti薄膜对比其他CH气流比所制备的薄膜表现出最低的摩擦系数为0.1289,在35%CH气流比下,所制备的a-C:H/Ti薄膜摩擦寿命较好。在CH气流比为30%的条件下,调节实验的溅射功率,探索溅射功率对a-C:H/Ti薄膜结构和性能的影响。发现在200 W溅射功率下制备的薄膜表现出较好的摩擦寿命。研究表明,本文采用直流磁控溅射技术在不锈钢和单晶硅片表面制备的碳基复合薄膜,具有较低的摩擦系数和优异的耐磨性。

关键词： 超表面   RCS缩减   反射阵/透射阵   透明天线   石墨烯  

摘要： 现代无线通信系统的高速发展造就了如今日益先进的多址技术与不断拓宽的频谱,同时也造成了纷繁复杂的电磁环境,这些无一不要求无线通信设备具备更强的电磁波调制能力。凭借可设计的亚波长周期性阵列结构,人工电磁超表面（Metasurface）可以实现诸多自然界媒质所不具备的电磁特性,引起了国内外学者的广泛关注与研究,发掘出了电磁超表面在隐身、天线、毫米波器件等领域的诸多应用价值,在未来6G通信系统的战略部署中也已经出现超表面的身影,可见人工电磁超表面在未来无线通信系统中或将占据举足轻重的地位。因此,本文就基于人工电磁超表面的吸波与辐射技术展开研究与探索,主要研究内容可以概括为以下三部分: （1）基于混合金属-石墨烯结构的小型化超材料吸波器与吸透一体表面研究。隐身技术在现代军事平台中至关重要,有效的雷达散射截面（RCS）缩减可以大幅降低被敌方探测到的几率。针对现有吸波器斜入射隐身性能与剖面难以兼顾的问题,本文提出一种基于金属化通孔的小型化设计,充分利用介质内部空间,延长电长度,在不提升剖面的前提下充分实现了周期超小型化,单元周期仅0.045λL。同时采用混合金属-石墨烯结构的设计避免了集总电阻的引入造成剖面的提升。超小型化的单元设计为吸波器带来了大角度斜入射的RCS缩减,在60°斜入射下仍有良好的RCS缩减效果。本文也将这种设计思路用于具有透波带的吸透一体设计并完成验证,吸透一体单元周期为0.05λL。该设计为超表面的小型化提供了一种有效的设计方法。 （2）基于微金属线结构的超高透光率反射阵天线与透射阵天线研究。高增益天线通常由较大的阵列结构构成,金属面积占比高,因此很少有研究能够实现透明化。本文基于微金属线结构分别提出反射阵与透射阵的单元结构设计,相比于其他文献中基于透明导电材料(如,氧化铟锡（ITO）)设计的超表面天线,基于微金属线结构的单元设计在不失带宽与相移范围并保证损耗的前提下,在透光率表现上具有绝对优势,所设计的反射阵天线实测透光率超过82%,透射阵天线超过71.8%。本文设计了具有不同波束类型的透明反射阵天线以验证单元的相移特性,仿真与实测结果表明,笔状波束反射阵天线峰值增益24.1 d Bi,总效率41.3%;具有-1阶模式的轨道角动量波束天线的实测方向图与近场平面相位分布也均与仿真吻合良好。另一方面,我们采用了多层频率选择表面法与极化旋转法分别设计透射阵天线。前者因为损耗问题导致相移范围仅180°,相位误差的增大使得天线效率较低,仅20.2%,为提高相移范围提高效率,采用极化旋转法设计透明透射阵天线,单元相移范围达到394°,最终实测透明透射阵天线总效率44.35%,1 d B增益带宽为30.43%。本部分所提出的微金属线结构在透明超表面设计中具有较大的优势与应用前景。 （3）基于可逆氢化反应的高开关比石墨烯及其在射频可重构器件中的潜在应用。石墨烯作为最早的二维材料,其可调控的特性被学者们深入研究,但又因其调控范围不足导致其难以实际应用。本部分利用石墨烯的可逆氢化反应与多层结构设计,大大提升了石墨烯的开关比,实测直流开态电阻5Ω,关态电阻5 MΩ,使其可以满足射频器件中的调控范围需求,为其在未来可重构智能表面（RIS）、时空编码超表面等应用中建立基础。同时本部分提出栅型石墨烯加载方式,结合可逆氢化反应,使得单层石墨烯在微波传输线上的调控得以兼顾低插损与高隔离,加载栅状石墨烯结构的微带传输线开态与关态的S21仿真结果分别为-0.9 d B与-40 d B。本部分研究为石墨烯在未来可重构智能器件中的应用提供了有效的调控方案与设计思路。

关键词： 异构波导   微环谐振器   相位调制器   无热设计   传感器   石墨烯  

摘要： 随着技术进步,传统波导的发展逐渐走到需要变革的阶段,受制于微电子技术和半导体工艺,存在量子效应主导的极限线宽。异构波导是一种利用介质或者金属的特殊结构,在亚波长尺寸上控制电磁波传播的波导。凭借亚波长结构强大的电磁操纵能力和波导本身强大的电磁场限制和引导能力突破了理论衍射极限。异构波导可以灵活有效地操纵电磁波的振幅、相位和偏振,实现模式转换、高效调制、超高灵敏度传感等效果。异构波导还可以与传统集成光学平台相结合,实现高度集成化和多功能化的光芯片。因此研究异构波导器件对集成光学和光子芯片的发展具有重要意义,在光信息处理领域具有巨大的应用潜力。微环谐振器和相位调制器分别是最常用的片上波导传感器件和调制器件之一。目前的微环传感器存在以下不足:一是结构复杂的微环谐振器往往制造公差小、成本高;二是微型化设计和高灵敏设计之间存在矛盾;三是硅波导传感器具有较高的温度依赖性,热漂移会降低折射率传感器的可靠性。而目前的相位调制器存在以下不足:一是相位调制器调制长度过长,不利于光子集成;二是传统的相位调制器调制电压过高,能耗大;三是调制器带宽受限。本文围绕异构波导器件的原理和技术展开研究,具体研究内容如下:(1)提出了一种用于传感的具有双层U形波导的温度不敏感的异构波导微环谐振器并进行了理论研究。基于无热设计理论,将光场更多的局限在硅芯和水溶液的分界面处,实现有效模式折射率几乎不随温度改变。双层U型波导的独特结构不仅形成了环形的光场限制,还通过上下层耦合将倏逝场从波导中释放出来,增强了光与物质之间的相互作用,提高了传感能力。结果表明,灵敏度为496 nm/RIU±5 pm/K。在3.2 K的温度变化范围内,可以认为测量结果与环境温度变化无关。(2)提出了一种超紧凑的基于裂环磁谐振的异构波导相位调制器并进行了理论研究。利用波导上层的裂环超表面阵列实现了波导内光场控制。借助裂环磁共振实现了光场局域化以及裂环之间的电偶合,增强了光与物质相互作用,导致有效折射率对石墨烯电导率变化更为敏感,有效折射率的变化导致相位变化。该相位调制器具有仅3.65μm的极短调制长度、116.8 GHz的宽调制带宽和263.49 f J/bit的低能耗,就可以实现相位从0到π变化。通过优化结构,能耗可进一步降低至90.69 f J/bit。

关键词： 石墨烯/氮化硼范德瓦尔斯异质结   半金属   自旋极化输运   磁隧道结  

摘要： 随着人们对微观尺度的研究越来越精细,很多的新型人工合成材料被制备出来。其中,由原子级的二维材料堆叠形成的范德瓦尔斯异质结材料是近年来研究最热的合成材料之一。这种材料的出现拓宽了二维材料的应用范围,简单地堆叠就可以使二维材料出现更多的电子性质。由于其很多独特的物理化学性质,范德瓦尔斯异质结材料被广泛研究,并被认为是在未来的电子器件中取代硅材料的理想材料之一。在二维材料中实现稳定且可调控的高自旋极化输运甚至完全自旋极化输运,成为了二维材料研究中的重要问题。锯齿型石墨烯纳米带和锯齿型氮化硼纳米带堆叠形成的范德瓦尔斯异质结材料因其具有特殊的边缘态,成为实现这一目标的候选材料之一。本文利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法,研究锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结的能带调控和电子输运性质。主要研究内容如下: (1)利用横向门电压和局域垂直电压实现了锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结的能带调控。我们发现,在锯齿型氮化硼纳米带衬底的内部电荷极化作用下,锯齿形石墨烯纳米带变为拥有自旋分裂能带的半导体,其中AA堆叠构型的锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结的能带自旋分裂带隙最大。无论施加横向门电压还是施加局域垂直电压,AA堆叠的锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结都能实现半导体-半金属-半导体的相变。这些结果表明了锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结在自旋电子学中具有良好的应用潜力。 (2)利用锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结构建了两种自旋极化输运器件。在以异质结为电极的输运器件中,一种自旋的透射能隙较小,另一种自旋的透射能隙较大。在合适的偏压下,该器件只允许一种自旋方向的电子透过,故而此器件为完全自旋极化输运器件。在以异质结为中心散射区材料的输运器件中,虽然两种自旋方向电子的透射能隙相同,但一种自旋方向的电子透射系数较大,另一种自旋方向的电子透射系数较小,在较大的偏压范围内,器件的自旋极化率大于60%。这些发现表明了锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结在自旋极化输运器件设计中具有潜在应用。 (3)以锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结自旋极化输运器件为基础,设计了两种在电极区域具有局域垂直电压的磁隧道结。利用局域垂直电压对锯齿型石墨烯纳米带和锯齿型石墨烯/氮化硼纳米带范德瓦尔斯异质结的能带进行调控,使得电极变为只允许一种自旋方向的电子通过的半金属。变化局域垂直电压的施加方向可以实现对体系自旋平行态和自旋反平行态的控制。我们发现,这种磁隧道结能得到较高的隧穿磁阻,量级达到10～4。这些发现可以为制作性能良好的磁隧道结提供参考。

关键词： 石墨烯改性   葡萄糖自供电生物传感器   铜   镍  

摘要： 随着科技的发展,世界进入了万物互联的时代。传感器作为物联网的基础,发挥着感知和识别的作用,为应用层数据分析提供依据。葡萄糖生物传感器作为传感器的一种,在医疗,环境,食品监测等领域都有广泛的应用。目前,便携式和植入式葡萄糖传感器的应用不断增加,还可以将血糖传感器的输出信号传输到和手机、手环等设备,进行信号传输,实现实时检测。葡萄糖自供电生物传感器不需要额外的供电设备,是相关领域应用研究的热点。基于石墨烯的自供电生物传感器有望同时兼具优异的传感性能和供电性能,具有重要的应用前景。本文聚焦基于石墨烯的葡萄糖自供电生物传感器,主要工作如下:1研究了石墨烯及其复合材料作为生物传感器阴极的供电性能。石墨烯本身具备大比表面积、高能量密度和功率密度的优势,进一步将其与过渡金属结合不仅可以解决石墨烯团聚和堆叠的问题,而且可以改善过渡金属导电性差的缺陷,石墨烯复合材料因而预期具有更好的供电性能。实验结果表明,石墨烯比电容是石墨箔的2倍,石墨烯复合材料比电容为石墨烯的27倍,达到556.563mF·cm-2;石墨烯阴极的供电性能是石墨箔的2.4倍,石墨烯复合材料阴极的供电性能是石墨烯的3倍,10mM葡萄糖对应的功率密度峰值为6.216μW·cm-2。2研究了石墨烯及其复合材料作为生物传感器阳极的传感性能。石墨烯表面的官能团和结构缺陷有利于固定活性物质,和过渡金属结合,可以增大石墨烯复合材料的活性面积,从而放大传感信号,提升电极对葡萄糖的催化氧化性能。实验结果表明,通过改变石墨烯表面铜镍的复合方式,可以调控复合材料的界面,灵敏度最高可达15.634μA·mM-1·cm-2,是单独石墨烯阳极的150倍左右;通过改变石墨烯复合材料不同成份层的厚度,可以调控复合材料的活性物质的量,灵敏度进一步提升为18.099μA·mM-1·cm-2。3研究了石墨烯及其复合材料同时作为生物传感器的阳极和阴极的传感和供电性能。石墨烯和过渡金属结合会增大阳极的活性面积,提升对葡萄糖的催化氧化能力;石墨烯与过渡金属结合能够提升阴极导电性能,增大功率密度和能量密度,提升其储电性能。实验结果表明,通过石墨烯及过渡金属复合材料同时作为阳极和阴极,显著提升了传感性能和供电性能,传感器的灵敏度达到24.436μA·mM-1·cm-2;10mM葡萄糖对应的最大功率密度峰值为134.901μW·cm-2。

关键词： 单层受限水   固液界面   摩擦行为   边界滑移   石墨烯纳米通道   分子动力学模拟  

摘要： 石墨烯纳米通道作为纳米尺度流体的传输平台,不仅具有着前沿的学术研究价值,更是在海水淡化、药物输送、化学分离和可持续能源等领域具有着广阔的应用前景。目前,石墨烯纳米通道内受限水的研究已经取得了一系列重要进展。实验方面,人们通过微流控技术和纳米加工等手段,成功制备了具有不同尺寸和形状的石墨烯纳米通道,并对其中的受限水进行了测量和观察。模拟方面,分子动力学模拟等计算机模拟方法成为研究受限水行为的主要工具,可以用于研究水分子在通道内的结构特征和动力学行为。石墨烯纳米通道内受限水的研究涵盖了很多方面,包括水分子在通道内的运动机制、滑移长度的计算和影响因素、水的结构排列和相变现象等。此外,研究人员还探索了通过改变石墨烯表面官能团等结构来调控受限水行为的方法。总体来说,石墨烯纳米通道内受限水的研究在纳米科技和纳米流体技术领域发挥着重要的作用。随着研究的深入和进展,研究纳米受限水的动力学行为将继续为科学家和工程师提供新的启示和突破,推动纳米技术的不断发展和应用。 本文以分子动力学模拟和理论分析作为研究手段,研究了石墨烯纳米通道内受限水的界面摩擦行为,分析了受限水流动中和滑移相关的力学行为和机理,并尝试对单层受限水的动力学行为进行理论建模。主要工作包括以下几个方面: 研究了界面氢键动力学调节的边界滑移。具体分析了石墨烯通道壁面上的羟基官能团对界面滑移的影响,以及相关的氢键动力学过程。发现官能团会阻碍附近水分子的滑移运动。从能量角度阐述了官能团对滑移的阻碍作用。在界面上,水分子与壁面上的官能团形成氢键。这些氢键在流动过程中不断形成和断裂,导致能量耗散。提出了一个基于能量平衡的滑移速度理论模型,该模型考虑了氢键动力学的影响。随着驱动力的增加,计算出的滑移长度逐渐过渡到Navier滑移长度。整个工作通过结合理论与模拟,拓展了对于界面滑移演化过程的认识。 研究了单层方形受限水的低摩擦行为机理。探索了石墨烯纳米通道内受限单层水的结构与动力学行为的耦合关系。分子动力学模拟表明,水层与壁面之间的摩擦与其结构之间存在显著关系。当水分子形成规则的四边形结构时,摩擦系数显著降低,这可以归因于长程有序氢键网络的形成。这种有序结构减小了水层垂直于壁面方向的结构起伏,并促进了受限水的集体运动。规则的四边形结构只有受限水的密度在一定范围内时才会形成。较高的密度导致更大的结构起伏,增加了摩擦系数,而较小的密度导致了不规则的氢键网络,集体运动模式无法发挥作用。研究指出摩擦系数与受限水密度之间的关系存在四个不同的阶段,建立了受限单层水的动态特性与其结构之间的联系。 对受限单层水的运动行为进行理论建模。考虑到二维受限单层水具有规则的面内方形结构网络,理论上可以将其简化为一维模型的运动。基于Frenkel-Kontorova模型对水层进行建模计算,发现水链的运动行为表现出周期性,其所受摩擦力,速度,各项能量等参数都具有相同的周期。链内部的势能也表现出类似纵波的来回传递过程。当阻尼系数达到一定数值时,水层所受摩擦力没有继续增加而是骤然降低,水层表现出一种低摩擦运动模式。从理论角度解释了不同的运动模式产生和持续的机理。随后使用分子动力学模拟,对单层受限水在石墨烯纳米通道内的流动行为进行建模,验证了低摩擦运动模式在水层运动中的存在。 本研究的结果为深刻理解纳米流动和物质输运的多种现象提供了新的认识。这些成果为纳米流体力学在众多领域的应用,如纳米生物医药器件、微纳流控结构设计、海水淡化和纳米润滑等,提供了坚实的理论基础。

关键词： 古斯-汉森位移   单层石墨烯   介电光栅   光子晶体   导模共振   表面等离极化激元  

摘要： Goos和H(?)nchen于1947年通过实验首次观测到反射光束在全反射条件下将偏离几何光学预测的位置,在入射面上发生空间横向位移,这一位移现被命名为古斯-汉森位移。该现象对几何参数的微小变化具有高度的敏感性,因此在传感和检测等领域具有极大的应用潜力。单层石墨烯是由碳原子组成的呈蜂窝结构的二维平面材料,因其卓越的光学性能而备受瞩目。近年来,研究者愈加关注基于单层石墨烯复合结构的古斯-汉森位移的增强与调节,这已成为古斯-汉森位移研究领域内备受青睐的热点课题。本文旨在通过严格耦合波分析法、传输矩阵法以及静态相位法探讨这些复合结构反射光的古斯-汉森位移,具体研究内容如下:首先,本文设计并分析了基于单层石墨烯的双介电光栅结构的古斯-汉森位移。研究发现,该结构在上下介电光栅层所激发的导模共振共同作用下,有效地增加了光与该复合结构之间的相互作用及其吸收,从而实现了较大的古斯-汉森位移,其振幅可达入射波长的8000倍以上。此外,本文还可以通过改变单层石墨烯的化学势和双介电光栅层的填充因子,控制古斯-汉森位移峰值的大小和所在的波长位置。该复合结构为增强二维层状结构的古斯-汉森位移提供了一种新方法,这将有望推动双介电光栅结构在新型光电器件更广泛的应用。其次,提出并研究了另一种复合结构的古斯-汉森位移,该结构由单层石墨烯薄片、介电光栅、单层石墨烯锻带和金属衬底组成。结果表明,该结构的古斯-汉森位移在特定角度处可以显著放大至入射波长的4470.6倍,其古斯-汉森位移的增强是源于金属层与介质层交界面激发了表面等离极化激元,导致了该结构的低反射率和相位突变。此外,本文还探讨了单层石墨烯的化学势、弛豫时间以及光栅层和波导层的厚度对复合结构古斯-汉森位移的影响。该复合结构古斯-汉森位移的增强有助于其在光电传感器、探测器等光学器件的应用。最后,构建了由单层石墨烯、硅和二氧化硅组成的一维缺陷光子晶体结构,并探究了其古斯-汉森位移。结果证实,该复合结构所激发的局部缺陷模可以增强其与光之间的相互作用,进而引起该结构在工作波长处的反射相位发生突变,这进一步导致了该结构古斯-汉森位移幅度的增强。同时通过改变单层石墨烯的光学参数、复合结构的几何参数以及入射角,该复合结构可以在近红外波段下成功实现对其古斯-汉森位移的动态调节。这些结果表明本工作设计的结构在集成光学器件和系统中具备良好的应用潜力。

关键词： 超表面   石墨烯   二氧化钒   吸波   极化转换   可重构   多功能  

摘要： 太赫兹波作为介于毫米波段和红外波段之间的电磁波,具有穿透力强、安全性能高、低能量损耗等特点。太赫兹波段的超表面器件被广泛应用于光谱成像、电磁隐身、太赫兹通信等领域。目前利用超表面能够设计出太赫兹吸波器和太赫兹极化转换器,但是这些类型的超表面器件由于结构固定,无法实现功能可调,而目前的通信系统以及电磁研究领域对于多功能超表面的需求日益增加,石墨烯和二氧化钒作为具有可重构特性的材料,为实现可重构多功能的超表面提供了新的思路。本文重点研究超表面对于太赫兹波的调控,围绕超表面吸波和极化转换技术,设计了多款可重构超表面,实现了对太赫兹波段的电磁波的幅度和相位的调控。本论文的主要内容如下: 1.针对传统的吸波超表面带宽不可调控问题,提出一种基于金和二氧化钒的多频和宽带可重构吸波超表面,该超表面的可重构特性主要体现在利用二氧化钒受温度影响表现出的相变特性实现多频吸波和宽带吸波之间的切换。在二氧化钒为绝缘状态时,超表面依靠多个金谐振环实现在0.192 THz、0.352 THz、0.472 THz和0.632 THz频点处的四频段吸波,在二氧化钒为金属状态时,二氧化钒介质基板层隔绝了超表面的下半部分对电磁波的调控,使超表面能够将频率为0.37～1.40 THz范围内的入射电磁波高效吸收。 2.针对传统的极化转换超表面的带宽不可调控问题,提出了一种基于金和石墨烯的双频线-圆和宽带线-线可重构极化转换超表面,该超表面的功能切换依赖于对石墨烯贴片费米能级的调控。该超表面的石墨烯贴片刻蚀了工字型图案,一组直角型的金属贴片位于介质基板的中间,通过调节石墨烯贴片的费米能级实现两种功能之间的切换。当石墨烯贴片费米能级为0 e V时,超表面在直角型金属贴片的作用下能够实现0.81～1.64 THz频率范围内的线-线极化转换。而当费米能级为1 e V时,石墨烯贴片和直角型金属贴片共同作用,使超表面能够在0.827～0.878 THz和1.119～1.327 THz实现高效的线-圆极化转换。 3.针对目前超表面所能实现的功能太少的问题,提出了一种基于石墨烯和二氧化钒的宽带和多频可切换的吸波和极化转换超表面结构,通过调节石墨烯和的费米能级和二氧化钒的电导率,该超表面能够实现四种功能之间的切换,分别为0.75～1.88THz范围内宽带吸波、0.81～1.15 THz和1.87～1.94 THz范围的双频吸波、0.72～1.40THz频率范围内的宽带线-线极化转换和0.78～0.85 THz和1.28～1.47 THz频率范围内的双频线-线极化转换。 4.针对目前吸波和极化转换双功能超表面的工作带宽不够宽的问题,提出了一种基于石墨烯和二氧化钒的双功能可重构超宽带超表面,该超表面通过石墨烯和二氧化钒谐振环共同调控超表面的吸波和线-圆极化转换功能,其中,叠层二氧化钒谐振环拓宽了吸波带宽,多块石墨烯贴片组合拓宽了线-圆极化转换带宽。当石墨烯贴片费米能级为0 e V,且二氧化钒为金属状态时,该超表面能够实现在1.43～8.96 THz范围内吸波率大于95%的超宽带吸波。而当石墨烯贴片费米能级为1 e V,且二氧化钒表现为绝缘状态时,该超表面能够在1.24～3.57 THz频率范围内实现椭圆度绝对值大于0.95的高效线-圆极化转换。

关键词： 电芬顿   印染废水   气体扩散电极   石墨烯   罗丹明B  

摘要： 印染废水是我国难降解有机工业废水的主要来源之一,具有成分复杂、色度高、难生物降解等特点,排入水体后会对人体健康和生态环境安全造成危害。电芬顿是一种针对难降解有机污染物的新兴水处理技术,在电流作用下阴极上原位生成H2O2,H2O2在Fe2+催化下产生强氧化性羟基自由基（·OH）快速降解有机物,相比传统芬顿法具有高效、绿色、安全等优势。然而,电芬顿技术在实际应用中普遍存在氧传质效率受限、阴极H2O2产量不足从而限制氧化还原反应速率进一步提升的问题,阻碍了该技术在难降解有机废水处理中的高效应用。论文制备了具有高效催化性能的石墨烯气体扩散电极（GDE）,以大幅提升电芬顿体系中H2O2产量,同时设计了该电极在防水曝气模式下的电芬顿反应系统。通过试验研究,考察了所构建的电芬顿系统在不同条件下对模拟印染废水的去除效果、影响因素和反应机制,探讨了最佳反应控制条件、电极重复使用的稳定性、对不同有机染料去除的普适性,以期为电芬顿高效电极的开发和促进电芬顿技术在印染废水处理中的应用提供一定的参考。论文研究用氧化还原法制备石墨烯电极材料,通过TEM、XRD、XPS、Raman等测试表征方法对制备的石墨烯进行形貌结构观察和化学组成分析,结果显示氧化石墨烯已被成功还原脱氧为结构有序度良好的石墨烯材料。用此石墨烯材料制备电芬顿阴极,通过优化电极制备参数实验,得到石墨烯气体扩散电极的最佳制备参数为:500目不锈钢丝网作电极支撑体、聚四氟乙烯与碳材料质量比（PTFE∶C）为1∶1、石墨烯与炭黑质量比（r GO∶CB）为1∶5。设计了防水曝气装置以改进电芬顿反应体系的传统曝气模式,通过试验研究考察防水曝气模式石墨烯气体扩散电极电芬顿反应系统在不同反应控制条件下对罗丹明B模拟印染废水的去除效果,并探究所构建的电芬顿反应系统的性能优势和反应机制,研究所得主要结果如下:（1）初始pH、Fe2+浓度、电解质浓度、曝气速率和电流密度是影响防水曝气模式下气体扩散电极对罗丹明B染料废水去除效果的主要因素。其中,初始p H和Fe2+浓度能显著地影响罗丹明B脱色率、脱色快慢和TOC矿化率。而电解质浓度、曝气速率和电流密度对罗丹明B最终脱色率无显著影响,但对脱色快慢有明显影响。电芬顿反应系统去除罗丹明B的最优工况为:电解质Na2SO4浓度0.075 mol/L,曝气速率2.4 L/min,初始p H为3.1,Fe2+浓度0.3 mmol/L,电流密度10 m A/cm2。在最优工况下罗丹明B的90 min脱色率达到99%,TOC矿化率达到60.06%。（2）掺杂石墨烯和采用防水曝气模式均能有效促进电芬顿系统中H2O2的生成和罗丹明B的去除。传统曝气模式下石墨烯气体扩散电极构建的电芬顿系统90min的H2O2产量相较同条件下的常规不锈钢电极和碳毡电极高出64.4%和35.0%;TOC去除率相较不锈钢和碳毡电极分别提升了16.91%和11.25%。防水曝气模式能有效促进电极表面的O2传质效果,增强电极表面氧化还原反应活性从而提高H2O2产量和罗丹明B去除效果。相同电芬顿反应条件下,防水曝气模式相较传统曝气模式石墨烯气体扩散电极的H2O2产量提升了68.6%,TOC矿化率提升了5.15%。（3）所制备的石墨烯气体扩散电极具有良好的稳定性、重复利用性以及一定的抗污染性能,采用稀硫酸简单酸洗可有效恢复电极的高效催化性能。电极使用9次后罗丹明B的脱色率、TOC矿化率仍然分别保持在95%、50%以上;使用9次后的电极经过酸洗,罗丹明B脱色率和矿化率分别提升至99%和57%以上。（4）所构建的防水曝气模式石墨烯气体扩散电极电芬顿系统对多种典型有机染料的去除均具有良好的普适性。反应90 min后染料罗丹明B、亚甲基蓝、甲基橙的脱色率均能达到99%,TOC矿化率均在50%以上。自由基淬灭实验结果表明,所构建的电芬顿反应体系有Fe2+存在时,·OH自由基是对有机染料分子氧化作用起到最主要贡献的高活性自由基,1O2的氧化作用次之;反应体系不存在Fe2+时,1O2和·O2-则是对有机染料分子氧化起到主要贡献的自由基。