关键词： 氧化钒/激光诱导石墨烯(VOX/LIG)   激光直写   气体-温度双参数传感器   无线检测   精准农业  

摘要： 现有的传感器只能识别一种环境刺激,无法满足多功能检测的需求,因此迫切需要开发具有不同模式的多参数传感器来监测和区分各种外部刺激。其中氮氧化物（NOX）气体是环境污染、人体代谢物以及农作物排放的标志性气体,温度是人体体温、环境温度的关键参数,对于气体、温度的精确检测是至关重要的。如何开发具有解耦检测能力的气体-温度双参数柔性传感器是亟需解决的难题。本文基于激光诱导与嵌段共聚物自组装的协同作用提出了一种基于氧化钒（VOX）/激光诱导石墨烯（LIG）的高性能气体-温度双参数传感器,将传感器与微处理器、无线传输模块集成,构建远程农作物生长环境监测系统,实现了土壤氮流失与温度的同时监测。 （1）VOX/LIG复合材料的设计及激光一步制备:基于激光诱导与嵌段共聚物自组装的协同作用,以酚醛树脂为碳源、嵌段共聚物Pluronic F127为模板剂,制备了硫化钒（V5S8）掺杂的酚醛树脂-嵌段共聚物F127混合薄膜。进一步开展了激光直写制备多孔VOX/LIG复合材料实验研究。 （2）气体-温度双参数传感器的结构设计与性能分析:代替传统叉指电极,采用激光直写技术,一步构建杠铃型传感器结构,在气体传感的同时实现自加热功能;对VOX/LIG传感器的气体检测性能进行分析,得出传感器在室温下对于NO2气体的高性能检测:超低检测限（3 ppb）、较宽的检测范围（3 ppb-5 ppm）、快速响应/恢复特性（217/650 s）、良好的选择性以及16天以上的稳定性。进一步基于密度泛函理论（Density functional theory,DFT）分析了传感器的高性能气体传感机理。对温度传感的性能进行分析,可以在10-110℃的宽线性范围内准确检测温度,检测限为0.2℃,且具备优异的重复性及加热-冷却循环特性。考虑载流子在温度变化时的运动趋势,分析了传感器的温敏机理。 （3）气体-温度解耦机制研究:通过自加热抗湿度干扰机制与聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）气体隔离封装层的构建的设计,分离气体、温度两种外部刺激信号。在温度检测模式下,传感器表面封装PDMS薄膜,有效隔绝气体的干扰,实现温度的准确检测;在气体检测模式下,基于自加热功能,传感器的工作温度调控为50℃,使得传感器免受环境温度变化的影响。 （4）远程环境监测系统集成与应用研究:设计开发了微处理器、无线传输模块,并将其与双参数传感器集成,形成了远程环境监测系统,实现施肥后土壤环境中NOX排放和土壤温度的远程、长期、实时、高精度监测,为智慧农业、精准农业的发展提供理论基础和技术支撑。

关键词： 二维材料   范德华异质结   石墨烯   近邻效应   反常霍尔效应   介电屏蔽效应   磁光克尔  

摘要： 为满足人们日益增长的信息化需求,芯片的集成度越来越高,随着晶体管尺寸微缩至纳米尺度,迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等问题层出不穷,迫切需要开发新工艺和新材料。石墨烯的问世为利用二维范德华材料开发新型器件提供了一个新方向。一方面二维范德华材料已发展成具有金属、半导体、绝缘体、半金属以及各种拓扑材料的大家族并具有优异的磁电、光电等性质,特别是磁性二维范德华材料的发现,为低功耗自旋电子器件的发展提供了机遇。另一方面二维范德华材料具有无悬挂键的光滑表面,可通过范德华力任意堆垛组装成范德华异质结器件,实现更多超越传统电子和光电子器件的应用。因此,利用二维范德华材料结构和性能优势去开发新型器件,有望克服传统硅基半导体的局限性,带动新一代电子器件的发展。然而,大部分二维材料性质单一,限制了其进一步应用。因此,扩展已有的二维材料的性能以及开发新的二维材料仍是当前研究的重点。本论文从扩展二维材料性能和开发新材料两个方面对二维范德华材料进行了系统研究:第一,通过针对性的制备基于石墨烯的二维范德华异质结器件,利用近邻效应和介电屏蔽效应等异质结界面之间的耦合相互作用,有效地补充与提升石墨烯的性能,进一步提高了其在新型二维电子器件中的应用价值。第二,依据理论计算,设计并实验合成了新型范德华铁磁材料CrVI6,扩大了二维范德华材料的种类,并通过磁光克尔表征建立了斯格明子的磁光学标志。该系列成果将对二维范德华绝缘体系的表征及应用产生广泛的影响,为未来信息技术的颠覆性改革打下基础。具体的研究内容如下:(1)通过构建MnPS3/石墨烯范德华异质结器件,利用反铁磁MnPS3的磁近邻效应,成功将磁性引入石墨烯中。电输运研究发现,该石墨烯基异质结中的霍尔电阻率曲线呈现非线性行为,且在不同的栅压下,其非线性行为不变,该实验结果表明石墨烯中存在与铁磁有序相关的反常霍尔效应。温度依赖的反常霍尔电阻率的研究显示反常霍尔效应的转变温度与MnPS3的奈尔温度一致,进一步证实了石墨烯中的磁性来源于其近邻的MnPS3。理论计算结果也显示,在高场下,MnPS3自旋翻转产生的磁有序,通过磁近邻效应提高了石墨烯的自旋轨道耦合,使石墨烯的时间反演对称性被破坏,导致石墨烯中出现非零的贝利曲率,进而在霍尔电阻率曲线上表现出非线性行为。这个研究成果为实现基于石墨烯的新型二维自旋电子器件提供了机会。(2)通过构建CrOCl/单层石墨烯范德华异质结,利用CrOCl的介电屏蔽效应,成功提高石墨烯的载流子迁移率。低温电输运测量发现,该石墨烯基异质结中纵向电阻出现舒勃尼科夫-德哈斯(SdH)振荡行为,表明石墨烯的载流子迁移率被显著提高,背栅扫描后证实CrOCl/单层石墨烯范德华异质结中载流子迁移率可被有效提高到35000 cm2 V-1s-1。温度依赖的输运结果表明由于迁移率的提高,在高达100 K的温度下仍能观察到SdH量子振荡和霍尔电阻平台,这远高于文献报道的温度。研究表明具有高介电常数的CrOCl可以提供介电屏蔽效应,有效降低电子与电荷杂质之间的库仑相互作用,减少电子的库仑散射,进而提高了载流子迁移率,使SdH振荡更容易被观测到。这项成果为提高石墨烯的载流子迁移率,实现高温量子输运打开了大门,为低功耗器件的应用提供了机会。(3)通过化学气相输运法首次合成二维范德华铁磁单晶CrVI6,并利用磁光克尔探测到CrVI6中存在斯格明子。物相与磁学表征证明块体CrVI6具有高的结晶质量,是易磁化轴为面外、居里温度为51 K的铁磁单晶。厚度依赖的磁光克尔表征发现少层CrVI6的磁滞回线在62-115nm的厚度区间里出现反对称峰,且反对称峰具有温度依赖性,仅在17 K以下存在。结合理论计算确定克尔峰起源于斯格明子,是拓扑电荷的表现形式之一,被称为拓扑克尔效应(TKE)。该成果发现了一种具有新型自旋有序的铁磁绝缘材料,并通过磁光克尔表征建立了斯格明子的磁光学标志,即TKE,为在绝缘体系中检测斯格明子提供了一种可行性方案。

关键词： 人工突触晶体管   石墨烯薄膜   电化学   离子输运  

摘要： 模拟神经突触晶体管是一种具备大量记忆状态的记忆器件,通过其可控的电导率来模拟神经突触的权重,从而实现和生物突触类似的兴奋性和抑制性。使用半导体器件来模拟神经网络中的行为,能耗高且体积庞大。而基于离子调控的模拟神经突触器件具备丰富的记忆状态,其可控的电导率可用于等效生物突触的权重,远优于电路模拟的方法。因此开发此类器件具有很高的研究价值。 另外,石墨烯及其修饰物已经被证实具备很高的机械强度和生物相容性。因此石墨烯也常常被用于构建突触晶体管。对器件通道电导率的调控的方法主要是调控离子插层、调控双电层离子分布以及可调谐异质结等。但对于使用氢化这一化学手段实现这一功能尚未报道。本文主要研究内容以及其结果如下: (1)构建了含一个点缺陷的单层石墨烯体系,通过第一性原理研究缺陷对石墨烯晶格的氢化去氢吸附能的影响。计算结果表明,由于缺陷破坏了石墨烯晶格的对称性,沿着远离缺陷的路径上的吸附能发生了变化,最高升高了28.0%,最低降低了28.7%。说明缺陷对石墨烯具有分裂其氢化去氢能级的作用,具有构建多状态晶体管的潜力。 (2)构建了以硫酸-聚乙烯醇为电解质的人工突触晶体管,并测试其相关的特性:该器件可以用于模拟生物神经的学习和遗忘行为。具有三种功能,快速学习和自然遗忘;对学习事件的强度和次数有明显响应;可以在特定刺激下复位,复位后清除之前学习所保留的信息。 (3)构建了以磷酸-聚乙烯醇为电解质的人工突触晶体管,并测试其相关的特性:可以表现出稳定非易失记忆特性(每分钟衰减<1%)。在10 Hz的刺激下,状态灵敏(每个状态变化仅～0.4%),且具有大于200个对称的非易失性状态足以用于模拟神经突触权重。 (4)研究了两种器件的工作机理,并根据测试所得的数据和性质,模拟了条件反射建立的过程,厘清了缺陷石墨烯在质子环境下的电化学变化:原始的缺陷石墨烯薄膜可以进行氧化还原反应,且这种反应是高度可逆的氢化去氢反应。 综上所述,本文主要给出了实现电解质栅极突触晶体管的一种实现手段和相应的机理解释,这为后续通过化学手段实现性能稳定,可读性高的人工神经突触晶体管提供了一定的启示。

关键词： 石墨烯   纳米流体   稳定性   光热转化   直接吸收式太阳能集热器  

摘要： 直接吸收式太阳能集热器(DASC)可以实现对太阳能的高效吸收,有着光热效率高的优点。DASC的光热转化效率极大程度上依赖于工作流体的光学性能,而石墨烯纳米流体具有优秀的光学性能与导热性能,被认为是DASC工作流体的合适选择。目前阻碍石墨烯纳米流体在DASC中应用的主要原因是不稳定性,应用过程中纳米颗粒团聚沉降导致流体性能恶化,进而降低光热效率。为此,本文聚焦稳定性以及光热转化性能,开展石墨烯纳米流体的两步法超声制备、一步法液相剥离制备以及光热实验研究,重点探究石墨烯纳米流体的静态稳定性、动态稳定性、光照稳定性以及光热转化性能。主要研究内容与结论如下:(1)为了探究两步法制备中超声时间与超声功率对加强纳米流体稳定性的影响。本文研究了在恒定超声功耗下超声时间与超声功率对稳定性的协同作用。首先在相同超声时间不同超声功率下制备了石墨烯纳米流体,分析了超声功率对纳米流体稳定性的影响。在此基础上选择了超声功率为750 W、超声时间为90 min下的超声能耗为基准,探究了在定超声功耗下超声功率与超声时间对稳定性的协同作用。结果表明,增大超声功率可以增强纳米流体稳定性,但达到一定强度后继续增大超声功率对稳定性的改善效果不大。并且,在恒定超声功耗下,超声时间比超声功率对纳米流体稳定性的影响更明显,低功率长时间的超声比高功率短时间的超声更能改善稳定性。(2)针对一步法制备石墨烯纳米流体研究中对稳定性缺少研究的情况,本文通过液相剥离制备了石墨烯纳米流体,开展了石墨烯产率、质量、静态与动态稳定性的研究。研究结果表明,制备获得了多层石墨烯,粒径在300 nm左右。石墨烯产率及纳米流体稳定性随着分散剂(十六烷基三甲基溴化铵,CTAB)浓度的增大而提高,但是当CTAB浓度大于0.25 mg/ml,这两者基本保持不变。延长剪切时间可以显著提高石墨烯的产率,在3 h的剪切下纳米流体中的石墨烯浓度大约为40 ppm。此外,搭建了循环流动实验系统,探究了石墨烯纳米流体在流动与换热情况下稳定性。结果表明,在高温下长时间流动时纳米流体失稳,这种不稳定可以通过及时冷却来改善。(3)为了评估石墨烯纳米流体在DASC中应用的前景,搭建了光热转化实验系统,对不同浓度石墨烯纳米流体进行了光照稳定性以及光热转化性能研究。结果表明,通过液相剥离制备的纳米流体在光照辐射下保持了良好的稳定性,没有发生团聚沉降的现象。光热实验结果表明,50 ppm石墨烯纳米流体对太阳光的加权吸收率在99%以上,且光热转化效率为73%,明显优于水的光热转化效率。图38幅,表2个,参考文献95篇

关键词： 芳纶纳米纤维   石墨烯   氮化硼纳米片   导热性能   机械性能  

摘要： 随着现代航空航天、国防以及电子电力设备的快速发展,迫切需要开发具有高导热、耐高温和优良机械性能的热管理材料。石墨烯(GNP)、氮化硼纳米片(BNNS)和碳纳米管(CNTs)等二维(2D)高导热填料与一维(1D)聚合物材料相结合,以提高聚合物基复合材料的固有导热率,但不合理的填料/基底结构设计会严重损坏复合材料的导热性能和机械性能。芳纶纳米纤维(ANF)由于具有大长径比、高强、耐高温及耐化学溶剂等特性,将石墨烯及氮化硼等导热填料引入ANF中以制备出机械性能优异且耐高温的高导热复合材料的方法已被广泛报道。然而,ANF制备困难、产率低下等问题严重阻碍了其在热管理材料中的应用。因此,本文基于自下而上低温聚合的方法,高效制备了具有大长径比、优异力学性能及高温热稳定性的ANF材料。随后,将具有水分散性的还原性氧化石墨烯(r GO)引入ANF基底中,通过真空抽滤法制备了具备兼具优异机械性能、高温热稳定性的r GO/ANF高导热复合膜。为了进一步拓展ANF基导热材料导热绝缘领域中的应用,r GO被替换为具有高导热且绝缘性的BNNS,并通过溶胶凝胶法构筑兼具良好优异机械性能、柔性、电绝缘的ANF基高导热复合材料。本文主要开展了以下工作:(1)本文基于DMAC-Li Cl溶剂体系,在对苯二胺(PPD)与对苯二甲酰氯(TPC)两个反应单体发生自由基聚合时,通过引入非反应性的聚乙二醇二甲醚(DME)调控PPTA大分子在横向上的堆砌,从而诱导大长径比ANF的形成。结果表明:DME的添加量为12%时,制备出的ANF长度大于5μm,平均直径为22.78 nm。通过对ANF膜的力学性能进行研究发现,其最大断裂拉伸强度高达74 MPa,最大伸长率高达4.6%。此外,所制备的ANF膜具有与PPTA纤维相媲美的热稳定性能。(2)为了实现高导热复合材料的制备,将具有水分散性的r GO引入ANF基体中,通过简单的真空过滤自组装的方法制备仿珍珠层状导热复合膜。在此过程中,大片且薄的r GO纳米片横向之间相互搭接,r GO纳米片沿着平行于复合膜的面内方向逐层(LBL)排列,这些重叠的层形成了连续的热传导路径。尤其是,经热压干燥处理后的复合膜呈现出的致密结构可以有效降低界面热阻和声子散射。结果表明:二者的合理组装使得r GO-50/ANF复合膜的热导率高达18.28 W/(m·K),其拉伸强度最高可达60.2MPa。此外,该复合膜在200℃的高温环境下仍能保持良好的导热性能,可应用于降低发光二极管(LED)的工作温度。(3)为了拓展芳纶纳米纤维基导热复合材料在电子封装及导热绝缘领域中的应用,将BNNS引入ANF基体中,通过溶胶-凝胶法制备具有仿珍珠层状结构的高强度、高导热柔性复合膜。首先利用水热-球磨-超声联合法,实现了具有大横向尺寸,超薄BNNS纳米片的剥离。随后,将BNNS进行硅氧烷改性以提高氮化硼纳米片在基质中的分散性,并增强导热填料与基质之间的界面作用力。结果表明:基于ANF三维网络框架,BNNS导热填料在强界面作用下在其表面层层搭接,二者的合理组装使得三甲氧基硅烷氮化硼纳米片/芳纶纳米纤维复合膜(BNNS@APTES-50/ANF)的热导率高达15.4W/(m·K),比纯ANF高641.66%。在8次冷却和加热循环中,BNNS@APTES-50/ANF的热导率仅表现出轻微的波动,表明其具备良好的循环热稳定性。此外,BNNS@APTES/ANF复合膜在高负载量下仍具有优异的拉伸性能以及高体积电阻率,表明其在高温绝缘的热管理领域中具有潜在的应用前景。

关键词： MXene   金属有机框架   石墨烯   电化学驱动器   人工肌肉  

摘要： 离子型电化学驱动器是一种能将电能转化为机械能的柔性智能电驱动器。这种类型的驱动器有着许多的优点:驱动电压低、变形大、响应速度快、应变高和耐久度高。一般的电化学驱动器是由电极层-聚合物电解质中间层-电极层组成的“三明治”结构。离子液体（IL）被储存在电解质层中。电化学驱动器的变形机理一般是经过电场刺激,离子液体中的阴离子和阳离子分别迁移并嵌入到电极的两侧,由于阴、阳离子半径大小不同,使得器件宏观上观察到偏向一侧的变形。其中,导电电极是驱动器的关键部件,在弯曲过程中,这些电极必须与离子聚合物膜兼容,并必须保持其导电性和高电容。 然而,传统的电极材料由于电化学性能较低以及无序的微观结构,导致内部的离子跨膜传输的距离较远、通路较少。从宏观尺度看,器件便表现出响应速率慢和变形能力小的特点,这些缺点限制了电化学驱动器在驱动领域的进一步应用。如何设计出具有快速大变形响应的软驱动器仍然是其实际应用面临的主要挑战。针对上述问题,本文选取二维片状金属有机框架（Metal-Organic-Frameworks,MOFs）、MXene、石墨烯这几种二维材料来作为研究对象,通过设计出能够供给电子快速转移的多孔微结构来提升电化学驱动器的性能。 首先选取了Ni/Co-MOF材料作为电极材料,MOFs材料具有孔隙率高、大比表面积和结构可设计的特点,同时具有大量的氧化还原活性位点,可以提供法拉第电容,但是导电性能较差。针对以上问题,选取二维的石墨烯材料作为电化学性能的支撑。经过测试分析,Ni-Co-MOF/石墨烯电化学驱动器展现出了优异的性能。可以在低频率（0.1Hz）实现23mm的大变形,并可以在0.1-15Hz的宽频下实现响应。另外,还具有优秀的电化学性能,最大比电容可达125Fg-1。 针对电化学驱动器能够保持稳定结构的需求,进一步选取了MXene（Ti3C2Tx）材料代替石墨烯作为电极材料的导电性能支持。这种材料具备高电导率的二维多层结构,但是极容易发生片层的堆叠。针对以上问题,本文采取在Ti3C2Tx片层中原位生长Ni-MOF的策略,Ni-MOF在Ti3C2Tx片层中起到支撑作用,同时提供丰富的氧化还原活性位点。通过以上的设计,成功的获得了具有大变形（34mm）、宽频响应（0.1-15Hz）、高稳定性（10000次循环）等性能的离子型软电化学驱动器,并设计了一种柔性仿生手指应用于智能人机交互。 通过以上的工作,本文探索了MOFs复合结构电极在电化学驱动器中的设计和应用。

关键词： 硅   石墨烯   力学性能   分子动力学  

摘要： 硅元素在自然界中储量丰富,提取工艺成熟,由硅元素制成的硅基器件具有寿命长、性能稳定的特点。硅基材料广泛应用在电子信息产业与新能源产业,是集成电路与新能源等产业自主创新发展与转型升级的核心材料。硅基材料硬脆,加工易产生缺陷,限制了其高水平应用。将石墨烯作为增强相加入到硅基材料中,其会与基体界面紧密结合,提升复合材料的机械性能。另一方面,硅基器件的性能也与硅片的表面光洁度有关。将石墨烯作为材料加工中的固体润滑剂,有望获得具有高表面质量的产品。因受实验条件的限制,在原子水平上观察研究石墨烯/硅复合材料的拉伸行为与划痕损伤是具有挑战性且困难的。本文采用分子动力学模拟的方法,以石墨烯/硅复合材料为研究对象。首先,设计了具有不同石墨烯排列方式的复合材料模型,研究了石墨烯分散排列和堆垛排列下复合材料的力学性能,发现分散排列下的力学性能更优。应变率对该复合材料的峰值应力影响不大,但对于失效应变、杨氏模量的影响较为复杂。温度对该复合材料的力学性能影响较大,随着温度升高,其失效应变、峰值应力、杨氏模量均降低。其次,构建了石墨烯涂覆的硅工件划痕模型,还有纯硅模型作对照组;设置了不同划痕速度与划痕深度进行模拟。研究发现,相较于纯硅划痕,硅工件表层的石墨烯涂覆对划痕过程中工件内原子的运动有抑制作用,切屑几乎不在磨料前侧堆积。磨料划痕速度、划痕深度的增加均会使相变的缺陷原子深度加深,但是在2 nm深度下的石墨烯更易发生断裂失效。最后,研究了不同初始温度对涂覆石墨烯的晶体硅划痕损伤的影响。研究发现,初始温度的升高会使压痕后的损伤区域越来越尖锐,划痕后的工件表面更粗糙。对石墨烯来说,只要石墨烯不发生断裂,其抑制作用就会一直存在,切屑就很少堆积在磨料前方。在对划痕后工件进行拉伸发现,初始加工温度还会影响硅工件的后续加工。本文建立了石墨烯/硅复合材料模型并对其进行模拟,在纳米尺度上研究了石墨烯作增强相的复合材料设计和涂覆材料对硅划痕性能的影响。研究结果可为该类复合材料设计与加工提供指导,最终提高器件的应用水平。

关键词： 废水处理   气凝胶   石墨烯   有机染料   吸附性能  

摘要： 随着我国印染工业规模的发展和产能的提升,染料废水的污染问题日益突出。染料废水中的染料具有有毒、致癌和致畸作用,其随意排放会对人体和自然界产生严重的危害。气凝胶（Aerogel）是一种新型多孔材料,具有低密度、高孔隙率和高比表面积等特点,在染料吸附和水体净化等领域展现出了广阔的应用前景。然而,原料成本高、制备周期长和高能耗等问题制约了气凝胶染料吸附材料的生产,同时,仅对单一染料的吸附也无法满足其实际应用需求。针对以上问题,本文中选用了来源广泛、廉价易得的明胶（GEL）和羧甲基壳聚糖（CMCS）形成双交联水凝胶,随后将单宁酸（TA）还原氧化石墨烯（T-rGO）引入体系中,通过真空冻干法制备得到了成本低廉、环境友好且吸附性能优异的CG/T-rGO气凝胶吸附材料。利用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）等测试方法对样品进行了表征,并考察了不同原料配比对气凝胶性能的影响。同时,选取亚甲基蓝（MB）和甲基橙（MO）作为目标染料,对气凝胶的染料吸附性能进行了探究。进一步的,利用吸附动力学、吸附等温线和颗粒内扩散模型探究了气凝胶的染料吸附机理,揭示了其在有机染料吸附中的应用前景。本论文的具体工作可分为以下两个部分:（1）首先,将明胶（GEL）和羧甲基壳聚糖（CMCS）交联后,利用真空冻干制得了明胶/羧甲基壳聚糖气凝胶（CG气凝胶）。通过FT-IR和XRD等表征方法,验证了CG气凝胶的成功制备。随后,考察了不同物料配比对CG气凝胶的性能影响。测试表明,CG气凝胶的密度和孔隙率分别为0.0327 g/cm3和85.27%,力学性能达到了350 k Pa以上。不仅如此,CG气凝胶对阳离子染料亚甲基蓝（MB）和阴离子染料甲基橙（MO）均具有一定的吸附能力,分别为67.5 mg/g和45.1 mg/g。（2）为了进一步提高气凝胶的吸附性能,采用单宁酸对氧化石墨烯进行还原插层,制备得到了T-rGO。随后,将T-rGO均匀分散在CG混合溶液中并制备得到CG/T-rGO复合气凝胶。采用FT-IR、XRD等表征方法验证了T-rGO和CG/T-rGO气凝胶的成功制备。其中,CG/T-rGO气凝胶的密度和孔隙率分别为0.0497 g/cm3和96.33%。此外,由于T-rGO与有机染料间的超分子作用（氢键、静电相互作用和π-π相互作用）,CG/T-rGO气凝胶对MB和MO的吸附量分别提高到了88.2 mg/g和66.6 mg/g。数据拟合结果表明,CG/T-rGO复合气凝胶对MB和MO染料的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir模型,属于单层的化学吸附。

关键词： 光学器件   超材料吸波器   太赫兹   超宽带   可重构  

摘要： 本文提出了一种基于石墨烯和二氧化钒（VO2）的伞状结构可重构太赫兹超宽带吸波器，极大地拓展了太赫兹吸波器的吸收带宽，具有功能可重构、调制深度大等优点.该吸波器由伞状VO2贴片、聚乙烯环烯烃共聚物（Topas）介电层、石墨烯层以及金属反射层组成.当VO2处于绝缘态、石墨烯的费米能级为0 eV时，该吸波器在整个太赫兹波段内表现为全反射特性.当VO2处于金属态、石墨烯的费米能级为0.75 eV时，该吸波器在3.57～10 THz频率范围内实现了超宽带吸收，平均吸收率达到了94%以上，吸收带宽高达6.43 THz.同时调节VO2的电导率和石墨烯的费米能级，可在两个完美吸收点处实现最大分别为97.9%（4.3 THz处）、96.8%（8.25 THz处）的调制深度，具有良好的开关特性.此外，该吸波器还具有极化不敏感和广角吸收特性，在0°～35°的入射角范围内，该吸波器在3.57～10 THz带宽范围内均保持着90%以上的吸收率.该可重构太赫兹超宽带吸波器在可调宽带吸收器件、隐身器件、热探测、太赫兹开关等领域具有潜在的应用价值.