关键词： 滤波器   衰减器   石墨烯   变容二极管   多功能滤波器  

摘要： 随着无线通信系统逐渐向高度集成化与高性能的方向发展,滤波器和衰减器分别作为实现频率选择和幅度控制的关键器件,对其性能的要求越来越高。传统滤波器和衰减器只能实现单一的功能,在实际通信系统中,电路前端往往需要将两种微波器件级联使用,这将导致射频电路的整体尺寸和设计成本大幅增加。于是集成多功能于一体化的滤波电路设计理念应运而生。将频率选择性和衰减特性相结合得到的多功能滤波电路具有高集成度、低成本和功能多样化等优点,可以大大减小射频电路尺寸。同时,进一步引入频率可调谐和衰减幅度可调谐功能,能够实现新型多功能滤波器设计的再度小型化。新型碳基材料石墨烯在微波频段有较好的电学性能,为多功能微波器件的灵活设计提供了新的思路。石墨烯纳米薄片具有方阻可调的特性,可以实现良好的动态调幅效果,将该理念引入射频/微波滤波器的电路和结构设计中,可以实现具有可控衰减功能的新型多功能滤波器。变容二极管因其具有高Q值和低成本等特点,被广泛应用于调频滤波器的设计。基于以上,本文通过分析多模谐振器和可调滤波器的基本理论,分别将石墨烯材料、变容二极管与微带传输线结构相结合,设计了三款具有多功能滤波器。具体工作如下: 1.设计了一款基于石墨烯纳米薄片的具有可控衰减的高选择性带通滤波器。该器件以一款高选择性的电磁耦合带通滤波器为基础,利用石墨烯在微波频段有较大均匀全向电阻的特性,将石墨烯加载于滤波器合适位置处,通过调节石墨烯的偏置电压实现通带的可调衰减。最终设计器件的中心频率为1.36 GHz,通带可实现-1.64～-11.13 d B的可调等幅衰减,并且矩形系数为2.12。该器件结合了滤波器和衰减器的功能,简化了射频系统的构建步骤,减小了射频前端器件的尺寸。 2.设计了一款基于石墨烯纳米薄片衰减可调的双通带滤波器。该器件以一款采用交叉耦合结构设计的双通带滤波器为基础,通过对加载石墨烯后等效电路的推导和仿真分析,确定石墨烯的加载位置,调节石墨烯的偏置电压从而实现通带的可调衰减。最终实现的滤波器在工作频率分别为2.9GHz-3.2GHz和3.48GHz-3.58GHz内具有-2.5～-9.3d B的等幅可控衰减。该器件能够同时在两个频段内工作并且衰减可控,可以更好的提高器件的集成度。 3.设计了一款基于微带三模谐振器的频率可调的双通带滤波器。该器件以一款基于微带三模谐振器的双通带滤波器为基础,在其谐振器的开路端加载一组变容二极管,实现带宽和中心频率均可单独调控的双通带滤波器。通过选择电容二极管的多种组合,可调滤波器低频段的中心频率可由0.82GHz调谐到1.08GHz,高频段带通的中心频率可以由1.7GHz调谐到2.0GHz。该器件具有结构简单、可移植性强等优势,在多功能器件领域中具有很好的发展前景。

关键词： rGO   铝基复合材料   热加工   力学性能  

摘要： 铝及铝合金具有低密度、高比强度和良好的耐腐蚀性而被广泛应用于航空航天、军事和石油等先进工程领域。然而,随着我国综合实力的提升,特别是航空、航天事业以及军事装备的快速发展,铝及铝合金的性能和服役条件的苛刻已经不能满足相关功能材料的使用要求,因此需要开发性能优越的铝基复合材料。石墨烯作为新兴的二维材料,其结构独特,机械性能和热学等性能优异,作为金属复合材料的增强体效果比较理想,有望达到“少量添加,大幅改性”的性能特点。本文采用高能球磨+电磁搅拌的方式制备混合粉末,并制备了一种新的强化相Gd@r GO。以SPS的方法制备了Gd@r GO与r GO+Gd2O3铝基复合材料,同时制备了不同热轧及热处理的复合材料试样,采用光学显微镜、SEM以及对复合材料的断口形貌、组成和微观结构进行了表征。本文的主要研究结论如下:（1）通过对高能球磨与高能球磨+电磁搅拌的混粉方式,对制备出的0.05wt%r GO/6061Al复合材料进行显微结构与性能比较得出,高能球磨+电磁搅拌能够有效的减少r GO在复合材料中的团聚,增加材料的致密度,减少内部间隙,改善铝粉与r GO的结合能力,适用于后续的复合粉体制备。（2）在烧结态下,随着r GO含量的提升,复合材料的力学性能也随之提升;但经过热轧和热处理后,这种规律则不复存在,原因在于温度的变化使复合材料内的合金相与强化相溶解度也随之变化,此时,强化相含量并不是热轧和热处理后复合材料性能变化得主导因素。（3）50%的热轧以及T6态的热处理得到的0.05 wt%Gd@r GO与0.05wt%r GO+Gd2O3铝基复合材料性能均有不同程度的提升,0.05 wt%Gd@r GO复合材料的强度与延伸率为404.3 MPa、11.3%,相比与国家标准规定的T6态的强塑性分别提升了39.4%、61.4%;0.05 wt%r GO+Gd2O3复合材料的强度与延伸率为357.7 MPa、31.7%,相比与国家标准规定的T6态的强塑性分别提升了23.3%、352.9%。（4）通过采用适当的热轧与热处理工艺,可以显著提高复合材料的硬度。其中T6态的Gd@r GO与r GO+Gd2O3复合材料最高硬度分别为133.5 HV与122.7 HV。（5）制备的两种复合材料的突出点有所不同,可根据复合材料不同的服役环境以及要求来选择。

关键词： 高级氧化   生物炭   石墨烯   过硫酸盐   非自由基反应  

摘要： 目前,基于硫酸根自由基的过硫酸盐高级氧化法(SR-AOPs)受到了广泛的关注,有广阔的应用前景。过硫酸盐在常温下一般比较稳定,反应速率低,需要通过催化剂活化来产生高活性的硫酸根自由基。金属活化过硫酸盐降解污染物是目前应用最广的一类催化剂。然而金属活化也具有不可忽视的缺点,因此,开发更加高效,绿色的过硫酸盐催化剂势在必行。无金属碳催化剂作为一种新型过硫酸盐催化剂受到越来越多的关注并已陆续应用到SR-AOPs中。本研究以苯酚为模型污染物,制备了石墨烯/生物炭复合材料(GBCs),以提高生物炭对过硫酸盐的活化效果。探究了反应条件,包括石墨烯/生物质质量比、催化剂剂量、苯酚浓度,PS浓度,溶液pH值,反应温度以及水中阴离子和腐殖酸对苯酚去除的影响。采用多种表征方式、淬灭实验、EPR分析和电化学测试,探讨了在GBC/PS体系中苯酚去除的可能的机理。最后,考察了 GBC/PS体系的实用性。主要得出以下结论: (1)GBC0.6/PS体系可在30min内将苯酚完全去除(kobs=0.1634 min-1),在该过程中吸附和降解过程同时存在。适量的石墨烯改性能改善生物炭的催化性能。而过量的石墨烯可能会屏蔽催化剂表面,从而反过来降低反应效率。GBC0.6/PS体系具有适应较宽的pH范围(3～9)、较低的活化能(12.13 kJ/mol)、对无机离子和天然有机物具有较强的抗性、对背景水基质具有较高的耐受性等优点。 (2)GBC是一种多孔碳材料,石墨结构、分级多孔结构、缺陷和含氧官能团(-COOH)是其反应的活性位点,对活化过硫酸盐降解苯酚起作用。GBC0.6/PS体系对苯酚的去除是一个吸附和降解的协同过程。吸附过程可能与苯酚与GBC0.6的π-π*EDA相互作用有关。降解过程包括主要的非自由基反应(1O2和电子转移)和次要的自由基反应(·O2-)。水溶液中的SO4·-和·OH不起作用。 (3)本研究为新型绿色环保无金属碳催化剂活化过硫酸盐去除水环境中的微污染物提供了新思路。

关键词： 电阻式气体传感器   NO2   微观调控   室温检测   自供电  

摘要： 现代工业进步推动了应用于环境监测和安全检测的气体传感器的发展。传统的电阻式气体传感器存在功耗大、检测限高等缺点,借助金属氧化物与石墨烯的结合可以提高气体传感器的传感性能,然而其表面活性和传感特性尚未得到充分的利用,增强的室温气敏性能强烈依赖于材料的微观结构。为了得到理想的气体传感性能,实现低功耗、高性能的气体检测,必须进行精心的研究设计。本论文以Co3O4和石墨烯为主要研究对象,通过对材料的微观调控,研究其微观结构对气敏性能的影响,设计摩擦纳米发电机（TENG）的结构并利用其作用,在提高气敏性能的基础上,分别实现了对NO2的室温优异性能检测以及自供电检测。 本文的主要研究内容包括: 1、以金属有机骨架（MOFs）为前驱体,采用简单水热法制备在RGO表面包覆聚吡咯（PPy）的多孔超微Co3O4纳米晶体（Co3O4/PPy/RGO）。在室温条件下,基于Co3O4/PPy/RGO传感器的灵敏度及稳定性均优于PPy/RGO与Co3O4/RGO,与PPy/RGO和Co3O4/RGO相比,Co3O4/PPy/RGO具有较大的比表面积(108.4 m2 g-1)和多孔结构(孔径12.8 nm,孔体积0.4 cm3 g-1),有利于表面反应的进行和气体渗透,可作为灵敏的室温NO2气体传感器的传感材料,为MOFs衍生的大孔径、大表面积室温传感材料的设计提供了一种有效的策略。 2、通过简单的水热法和O2等离子体刻蚀的方法,制备了基于Co3O4-RGO气体传感器。经研究发现,基于Co3O4-RGO气体传感器的传感性能强烈依赖于气敏材料表面氧空位（OVs）的控制,基于Co3O4-RGO-60W气体传感器在室温下对20 ppm NO2的灵敏度最高（72.36%）。与Co3O4-RGO相比,O2等离子体刻蚀Co3O4-RGO-60W对NO2的吸附性能更佳,Co3O4纳米晶体（NCs）尺寸更小,比表面积、孔径更大,OVs更多。特别是OVs使NCs表面具有独特的化学状态,可以增加活性位点,改善对NO2的吸附性能。此外,p-p异质结（Co3O4和RGO）的影响和N原子的掺杂有助于改善NO2的检测性能。实现了室温条件下对NO2气体的低功耗监测。 （3）分析了TENG的不同摩擦电极在接触-分离时电子的产生及流动方向,借助TENG能够将外界的机械能转化为电能的作用,实现了基于MXene-SnO2与基于SnO2-RGO的气体传感器对NO2的自供电检测。

关键词： 第一性原理计算   范德华异质结构   外部应力调控   空位缺陷调控  

摘要： 二维材料因其优秀的理化性质而受到广泛的关注与研究，其中，基于二维材料在垂直或者水平方向构建的范德华异质结构更是近些年研究的热点，范德华异质结构不仅保留单层二维材料的优点，还产生了一些新的物理化学特性，它独特的性质在光电器件领域有巨大的应用潜力。本文选取单层石墨烯以及单层Ga2SSe来构建双层/三层GR/Ga2SSe异质结构，然后通过第一性原理计算来研究双层/三层GR/Ga2SSe异质结构的分子动力学特性和光电性质，最后讨论施加外部应力、空位缺陷对三层GR/Ga2SSe/GR异质结构光电性质的影响。具体内容如下:　　首先，对单层石墨烯、单层Ga2SSe进行优化计算，声子色散谱表示两个单层材料都有较强的动态稳定性。之后计算发现两个单层的晶格失配率仅为0.6％,这也为异质结构的搭建提供了理论基础。根据原子的对应情况，搭建了十六种双层/三层GR/Ga2SSe异质结构，再通过不同异质结构结合能的比较，选出相对稳定的三种结构(a)GR/SeGa2S、(h)GR/SGa2Se、(m)GR/Ga2SSe/GR。通过分子动力学的模拟研究，发现三种异质结构都具有良好的机械稳定性。德拜温度以及热容曲线也表明三种异质结构具有良好的导热性以及热稳定性，这也为实际的物理器件在高温下工作提供了参考依据。　　然后，本文计算了三种异质结构的光电性质。投影能带的计算结果表明石墨烯与Ga2SSe接触是n型肖特基接触。紧接着通过三种异质结构的态密度，来分析不同原子不同轨道电子对异质结构的贡献。三种异质结构的平面平均静电势以及电荷密度差表明石墨烯与Ga2SSe之间拥有较大的电位差，存在强烈的内建电场，而内建电场会极大地阻碍电子-空穴对的复合，从而延长载流子的寿命，使得异质结构中载流子的迁移率增加。随后，本文计算双层/三层GR/Ga2SSe异质结构的光学性质。介电函数以及光导率的计算结果表明异质结构具有良好的存储电荷能力以及能量吸收能力。此外，光吸收系数的计算结果表明，相比单层材料，异质结构结合了两个单层的优点，不仅加宽了光子能量的吸收范围，而且增大了光吸收系数的峰值。综上，双层/三层GR/Ga2SSe异质结构不仅可以用于场效应晶体管、光电器件的制造，而且还是光催化、光能存储等领域的良好候选材料。　　最后，本文讨论了垂直应变、双轴应变对三层GR/Ga2SSe/GR异质结构电学性质的调控，研究发现施加应力不仅可以调控肖特基势垒的高度以及单层的接触类型，还可以调控异质结构的内建电场强度。此外，本文计算单层Ga2SSe空位缺陷对异质结构光电性质的影响，发现硫空位缺陷、硒空位缺陷可以通过改变单层石墨烯和Ga2SSe的层间耦合效应，来调控三层GR/Ga2SSe/GR异质结构的光电性质。以上对电学性质、光学性质的调控研究，也为三层GR/Ga2SSe/GR异质结构应用于压电器件、脉冲传感器等器件的制造提供了一定的参考性。

关键词： 聚氨酯   石墨烯   Laponite   复合涂层   铅笔硬度   透光率  

摘要： 聚氨酯因其优异的物化性能和易施工性可作为罩光涂层应用于物体表面,其硬度上的不足严重影响了涂层的进一步应用,但一般改性材料的加入难以同时满足高硬度与高透明的要求。石墨烯是一种具有优异的力学性能和透光率的二维纳米材料;laponite是一种具有纳米组分特点的无色片状硅酸盐,因此本文选用石墨烯和laponite对聚氨酯涂层进行改性,系统研究了涂层的组成和性能,并期望获得高硬度且透明的聚氨酯透明涂层。具体内容如下:使用石墨烯对聚氨酯透明涂层进行改性研究。首先本文通过高频超声将氧化石墨烯(GO)分散于水性聚氨酯涂料中制备GO/聚氨酯分散液,成膜获得GO/聚氨酯复合涂层。通过不同的还原方式得到石墨烯改性聚氨酯透明涂层。研究了GO添加量及还原情况对涂层硬度和透光率等方面的影响。结果表明:GO与基体材料形成交联网络,提升了涂层的硬度,保证了涂层的透光率,且还原后涂层硬度进一步提升;当GO添加量为0.05 wt‰,紫外还原10 min时,涂层铅笔硬度提升了3-4个等级,且涂层透光率较纯样降低15%以内。使用laponite对聚氨酯透明涂层进行改性研究。根据laponite使用标准配制laponite胶体分散液,采用与石墨烯改性研究中相同方法制备得到laponite改性聚氨酯透明涂层。探究laponite对涂层硬度、透光等性能的影响。结果表明:laponite的加入更大程度保障了涂层透光率,但对硬度的提升效果较小;当laponite添加量达到0.50 wt‰,涂层透光率较纯样降低5%以内,涂层铅笔硬度提升1个等级。使用石墨烯与laponite协同对聚氨酯透明涂层进行改性研究。采用GO与laponite同时对水性聚氨酯涂料复合得到Lap-GO/聚氨酯复合涂层,后通过紫外还原得到laponite/石墨烯改性聚氨酯透明涂层。研究Lap-GO添加量及还原情况对涂层硬度和透光率等方面的影响。结果表明:Lap-GO的加入使涂层铅笔硬度明显提高,对透光率影响较小。当Lap-GO添加量为0.05 wt‰,紫外还原10 min时,涂层的综合性能最佳,铅笔硬度提升为5H,透光率较纯样降低10%以内。

关键词： 石墨烯   湿度传感器   位置传感器   氧等离子体  

摘要： 石墨烯是一种由碳原子sp2杂化形成的具有蜂窝状晶体结构的二维材料,具有优异的电学,光学,热力学和力学性质,在电子器件,光电转换器件和生物医药等领域均有着较大的应用潜力。超大的比表面积、超高的载流子迁移率,宽波段光谱吸收使得石墨烯适用于多种传感器件的构建,比如光电传感器、温湿度传感器和位置传感器等。当前对高性能湿度传感器与位置传感器有着很大的需求。然而,所报道的基于石墨烯的湿度传感器不能同时具备高灵敏与快速响应的特性。另外,石墨烯-硅位置传感器的线性度、极限探测功率与探测灵敏度有待于进一步提升。因此亟需研究实现石墨烯基传感器的性能提升新策略。 本论文详细研究了氧等离子体处理对基于石墨烯的湿度传感器和位置灵敏传感器性能的影响,具体内容如下: （1）利用机械剥离石墨烯制备了湿度传感器,并通过氧等离子体处理石墨烯,探究处理时长对湿度传感器性能的影响。发现氧等离子体处理在石墨烯内部引入的含氧官能团与空位缺陷能够增加石墨烯的亲水特性,从而实现湿度传感器灵敏度的大幅提升。此外,改性石墨烯较高的载流子迁移率同时保留了石墨烯基湿度传感器快速响应的特性。研究结果表明在氧等离子体处理50 s之后,传感器可表现出153.1%的高灵敏度,在1 V的偏压下响应时间分别为58 ms（上升）与661 ms（下降）。 （2）利用化学气相法生长的石墨烯构建了石墨烯-硅位置传感器,探究衬底钝化处理与掺杂浓度的改变对传感器性能的影响。证实了硅衬底的钝化处理可以减少其表面悬挂键数量,减小载流子在横向扩散过程中的复合几率,增加载流子的扩散距离,实现位置传感器性能如线性度等的提升。另外,相同处理条件下,低掺杂度的硅衬底展现出更高的位置探测分辨率、更低的极限探测功率与更优异的光强探测灵敏度。