关键词： 聚合物基复合材料   电磁屏蔽   石墨烯   指向特征   低反射特征  

摘要： 随着通讯技术和智能交互产品的快速发展,突增的电磁波数量在以前所未有的规模加剧电磁干扰。电磁屏蔽材料可屏蔽电磁干扰,以保护精密设备的稳定运行和人类的身体健康。传统电磁屏蔽材料主要以各类常见金属导电材料为主,但由于反射为主导的屏蔽机制,易造成电磁波的二次污染,无法满足以安全、保密、绿色为导向的电磁防护要求。此外,传统电磁屏蔽材料无法区分重要传输信号与无用电磁噪波,远不能满足当前高度集成化电路以及微电子设备对精准滤波的需求。为此,本研究聚焦碳基填料与聚合物基体之间的复合结构设计,研究指向、低反射特征电磁屏蔽膜材料的制备方法,系统解析材料结构与其屏蔽性能的关系,以期改善电磁屏蔽膜材料无法精准滤波和高微波反射等不足的问题。具体研究内容如下:（1）设计并构建具备双维度取向导电网络结构的石墨烯电磁屏蔽纤维膜,通过调节纤维轴向与偏振电磁场极化方向之间的夹角,研究其电磁屏蔽的指向特征并阐述相关作用机理。结果表明,石墨烯纤维膜继承了石墨烯片电导率高以及比表面积大等优势,是一种超轻、超薄的碳基电磁屏蔽膜。在轴向,薄膜的比屏蔽效能高达33,333.0 d B cm2g-1;独有的双维度取向导电网络结构赋予纤维膜明显的各向异性电导率和电磁波指向屏蔽性能,纤维轴向和纤维横向上的电导率相差6.8倍,对应的屏蔽效能差异高达25.0 d B,实现了对电场分量沿纤维轴向的横电波的屏蔽和电场分量沿纤维横向的横电波的透射;经过160.0次弯曲循环后,纤维膜的电磁屏蔽效能无明显变化,展现其良好的柔软性和耐久性。（2）为获得高性能指向特征电磁屏蔽膜材料,在（1）的研究基础上构建双层结构聚合物基复合膜,研究层状界面变化、纤维取向和纤维含有量对电磁屏蔽性能的影响。结果表明,由于双层单向结构诱导的多重内反射效应和共振现象,在6.0 wt%低纤维含量下复合膜的屏蔽效能达到50.6 d B;由于纤维膜轴向一致性,双层单向结构进一步增强了电磁屏蔽性能的指向特性,纤维轴向和横向上的屏蔽效能差异最大可达40.0 d B。另外,对比相同纤维含量下单层单向结构和双层单向结构复合膜,由于界面结构效应,双层单向结构具备更低的反射率和更高的屏蔽效能。（3）因电磁屏蔽材料的高反射率易造成电磁波的二次污染,本章在（2）的研究基础上进一步研究通过在基体上层添加短碳纤维赋予电磁屏蔽复合膜低反射特征的途径。其中,以均匀分散的短切碳纤维作为吸收功能相、互穿的石墨烯纤维膜为屏蔽功能相,构建“吸收-屏蔽”双层结构的电磁屏蔽复合膜,探究材料结构与其总屏蔽效能、反射率、吸收率之间的关系,并深入分析“吸收-反射”双层结构的屏蔽机制以及每一层所发挥的关键作用。结果表明,3.0 mm厚复合膜在8.2～18.0 GHz频段的总屏蔽效能为19.3～22.5 d B、反射效能为0.1～2.8 d B、吸收效能为18.4～21.1 d B、反射率为0.7%～48.0%、吸收率为51.6%～98.5%,表现为吸收为主导的屏蔽机制。尤其在15.2～17.9 GHz频段范围内,复合膜表现出显著的低反射特征,其反射效能被限制在0.1 d B以下,相应的反射率低至0.7%。（4）以（3）的研究为基础,为使复合膜在较低厚度下兼具低反射率和高屏蔽效能,分别在碳纤维和石墨烯纤维上沉积镍颗粒和银颗粒,制备磁电双效非均双层结构电磁屏蔽复合膜。结果表明,由于引入磁损耗机制,吸收层电磁波损耗性能低至-57.6 d B,有效频宽为8.3～11.4 GHz。银颗粒的沉积改善了石墨烯纤维膜的导电性能,相较与纯纤维膜,镀银纤维膜的总屏蔽效能提升了22.2%。由于多重损耗机制和合理的结构设计,在最佳填料配比下,2.0 mm厚电磁屏蔽复合膜在8.2～12.4 GHz频段范围内具备显著的低反射特征,其总屏蔽效能达33.7 d B、反射效能为0.8 d B、相应反射率低至17.2%。（5）为直观验证低反射特征电磁屏蔽复合的构效关系,基于（3）、（4）的研究基础,建立“吸收-反射”双层结构简化模型,通过有限元数值解析对其进行电磁模拟,研究在8.2～12.4 GHz频段范围内几何结构、尺寸、材料属性等因素对其电磁屏蔽性能的影响机制。结果表明,屏蔽层与吸收层之间的交界区域以及矩形孔洞边缘处的能量损耗密度远高于其他区域,证明“吸收-屏蔽”双层结构以及屏蔽层上的矩形孔洞有利于提高材料内部对电磁能量的损耗,降低复合膜整体的反射率;吸收层厚度的增加有利于降低复合膜的反射率并提升其吸收率,但是对其总屏蔽效能无显著提升;屏蔽层厚度的大幅度增加复合膜的总屏蔽效能,而对反射率无明显影响。综上,本文从导电网络的结构设计与构筑出发,明确指向、低反射特征高效电磁屏蔽膜材料的制备工艺,阐述材料复合结构与其电磁屏蔽性能的关系,为功能化高效电磁屏蔽膜材料的设计、制备和应用起到了重要推动作用。

关键词： 密度泛函   石墨烯   过渡元素掺杂   气体传感  

摘要： 近年来,随着神经系统疾病发病率的日益升高,人们对危害神经系统的有害气体的检测越发重视,因此气体传感器得到蓬勃发展。自石墨烯被机械剥离以来,二维材料（Two-Dimensional,2D）因其卓越的电光性能、机械性能、可调控性,成为了理想的气体传感器吸附材料,其中包括二维材料石墨烯（Graphene,Gr）。石墨烯具有特殊的狄拉克锥带隙结构和极高的载流子迁移率,研究人员已经在光电领域展开了广泛研究,并且其在气体传感领域本身存在巨大的潜力。因此,本文基于密度泛函理论计算了原子尺度上的相互作用并研究了多种掺杂原子对H2S的吸附性能影响。通过比较优化后的吸附结构、吸附能、电荷差分密度、光学和磁学特性研究了其传感机理。主要研究内容如下:1、基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了过渡金属元素（Au、Ag、Cu、Fe、Ti）掺杂石墨烯表面对硫化氢气体的吸附性能的影响。研究结果表明硫化氢气体在Ag、12.5%Ag掺杂浓度、Ag-Fe-Ti共掺情况下有着极高的灵敏度。其中,掺杂Ag系统的吸附能和吸附距离分别为-15e V和5.468（?）、转移电荷量为0.39e、能带和态密度变化明显。H2S以较强的化学相互作用被吸附在Ag掺杂石墨烯表面,相对于掺杂Au、Cu石墨烯基底的较小吸附能5.10e V和2.60e V与吸附距离,以及极低的电荷转移量都表明掺杂Au、Cu对H2S气体并不敏感。从能带结构和态密度分析,吸附H2S气体的系统在费米能级附近出现杂质能级,并且掺杂系统的掺杂类型也发生改变,由p型掺杂转化为n型掺杂,或者由n型掺杂转变为p型掺杂,因此,H2S气体的吸附改变了系统带隙。H2S气体吸附后其S原子与基底材料Ag原子之间形成新的强化学相互作用,部分态密度图轨道杂化强烈,再次证明掺杂Ag系统与H2S产生强烈的化学相互作用,因此适合作为检测H2S气体的敏感材料基底。研究表明掺Ag石墨烯相较于Au、Cu更适合作为检测H2S气体的气敏材料。2.研究不同浓度的Ag原子掺杂石墨烯对H2S的吸附情况。通过对其最稳定结构研究及吸附能、电荷转移情况分析,发现在不同掺杂浓度下的石墨烯性能存在差异。在Ag原子掺杂浓度为12.5%时相较于其他掺杂浓度有着更大的吸附能和更稳定的吸附结构,分别为-13.15e V和9.84（?）、9.83（?）、6.82（?）的晶格常数。因此掺杂浓度为12.5%时为最佳掺杂的浓度。可以通过共掺杂的方式增强12.5%Ag掺杂石墨烯系统对H2S气体的吸附能力。3.引入Fe、Ti两种原子与Ag共掺,通过研究H2S气体吸附在掺杂材料表面上的吸附性能变化,来确定最佳掺杂比例。Fe、Ti原子的掺杂也使得整个体系的固有属性发生改变,变为金属或半导体。计算了掺杂后的电荷分布和自旋情况,Fe、Ti、Fe-Ti共掺系统都可以稳定存在,但是Fe原子的过量引入,会使得系统的空间结构发生严重的畸变,并且过量引入的Fe原子在自旋谱中并没有发现其过多的贡献。随后计算的电子结构、电荷差分密度都表明4:1:1的Ag、Fe、Ti在吸附硫化氢气体时有着最强的反应效果,可以作为检测硫化氢气体的最佳气敏材料使用。

关键词： 石墨烯压阻特性   MEMS技术   测试芯片   弹性元件  

摘要： 石墨烯作为新兴的二维材料,具有优异的压阻特性,能够在压力测量领域得到广泛运用。为进一步分析石墨烯压阻特性,本文给出石墨烯薄膜压阻特性测试结构,该结构由硅杯、硅膜表面Cr/Au电极和位于硅膜表面石墨烯薄膜等构成,在外加压力（P）作用下,硅膜产生弹性形变,引起石墨烯薄膜形状改变。理论分析表明石墨烯薄膜电阻阻值将发生变化,通过测量石墨烯电阻阻值的变化量,即可实现压力的测量。在此基础上,开展了机械剥离法制备石墨烯以及湿法转移单层石墨烯的研究,利用光学显微镜和拉曼光谱对其进行表征分析。根据弹性力学相关理论分析了硅膜表面石墨烯的力学特性,采用Ansys软件构建了弹性硅膜的力学仿真模型,研究硅膜尺寸对其应变的影响。结合理论和仿真分析,本文设计石墨烯压阻特性测试芯片的基本结构,利用L-Edit软件绘制了测试结构的芯片版图,采用MEMS技术和湿法转移相结合制作了测试芯片,并完成了测试芯片的封装。采用由压力变送器、高低温试验箱等构成的压阻特性测试装置,对石墨烯进行了压阻特性和温度特性的测试。实验结果给出石墨烯电阻的阻值随着温度的增大而减小;在室温环境下,石墨烯薄膜附着于弹性硅膜表面时,受硅膜形变的影响,硅膜上的石墨烯电阻阻值随外加压力的增加而增大,阻值相对变化量约为1.76×10-4k Pa-1。采用PMMA薄膜作为弹性元件,石墨烯电阻的阻值相对变化量为1.84×10-3k Pa-1,为研究石墨烯压阻特性奠定基础。

关键词： 氧化石墨烯纳米片   冰晶重结晶抑制   光热   细胞低温保存  

摘要： 细胞的低温冷冻和复温的过程中,冰晶的形成和重结晶对细胞造成的损伤直接影响细胞的活性和存活率,因此具有冰晶抑制效果的仿生抗冻材料备受关注。为了细胞能安全度过细胞复温过程,将具有光热转换作用的仿生抗冻材料作为细胞复苏过程的辅助加热材料,进而提高升温速率减少冰晶的重结晶。氧化石墨烯已被证明在细胞低温保存中具有冰晶形貌修饰和冰晶重结晶抑制作用,同时在近红外波段具有红外吸收的性能,因此研究氧化石墨烯纳米片尺寸的冰晶抑制作用和细胞光热辅助复苏细胞对细胞存活率的影响,不仅推动了对仿生抗冻材料的理论研究,而且具有作为细胞冷冻保护剂的应用价值。因此,本文主要制备了五种不同尺寸的氧化石墨烯纳米片作为细胞低温保存中的冷冻剂。通过改良Hummers法和超声工艺完成氧化石墨烯纳米片制备,克服了传统制备方法的易爆、易燃等缺陷。采用透射电镜(TEM),紫外-可见-近红外光度计(UV-vis)和X射线光电子能谱仪(XPS)等表征了不同尺寸氧化石墨烯纳米片的微观形貌和结构组成,测试了其光热效应和冰晶抑制作用,并成功应用于Hela和A549细胞的低温冷冻与复苏。主要的研究工作和结论如下:(1)氧化石墨烯纳米片具有优异的冰晶抑制作用和一定的光热转换性,当其作为细胞冷冻保护剂时可较少细胞损伤,提高细胞存活率。采用Hummers法制备氧化石墨烯粉末,超声工艺制备不同尺寸的氧化石墨烯纳米片。(2)通过紫外-可见-近红外分光光度计对氧化石墨烯进行了表征,研究了不同尺寸的氧化石墨烯纳米片的光热转化效果,在808 nm激光照射下,计算出90nm的氧化石墨烯纳米片(GO-90)光热转换效率为43.5%,表现出一定的光热转换作用。(3)研究表征了氧化石墨烯纳米片在冷冻-复温过程中的冰晶尺寸,结果显示氧化石墨烯纳米片具有显著的冰晶抑制效果,GO-90可将冰晶重结晶的平均最大晶粒尺寸降低至17%。(4)将冰晶抑制效果较好的GO-90应用在Hela和A549细胞的冷冻保存和复苏中,通过水浴加热和808 nm激光复苏后的细胞存活率均较高,为仿生抗冻材料的研究提供了一定的实验基础和理论参考。

关键词： 石墨烯   化学气相沉积(CVD)   低温生长   垂直取向石墨烯   光电探测器  

摘要： 石墨烯制备是当前研究人员关注的热门课题。其中化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）法兼具了大面积制备和高质量制备两大优势,在石墨烯材料及电子器件领域中被大量应用。基于CVD生长的石墨烯往往需要通过转移工艺从催化衬底移植到目标衬底上再实施应用。无论是转移工艺的复杂流程,还是转移过程中不可避免的污染和破损,对于器件都是极为不利的。当前,可用于在衬底上直接生长石墨烯的技术对生长温度要求较高（800～1100℃）,因此仅适用于耐高温材料,而对于市场需求量巨大又无法承受过高温度的衬底（如:集成电路芯片、柔性片材等）,目前尚无相应的直接生长手段。在此背景下,低温生长石墨烯的研究开始引起重视,其目的在于将石墨烯的生长温度降低至各类衬底的温度承受范围内,进而开发出通用型的石墨烯直接生长技术,实现石墨烯制备与半导体器件工艺的兼容。 本论文针对当前低温生长石墨烯的相关研究中存在的质量差、不连续,以及缺乏配套的直接生长方案等问题,从碳源、催化剂和CVD技术三个影响石墨烯生长温度的要素着手,系统地研究了石墨烯的低温生长技术,大幅降低了高质量石墨烯的生长温度。在此基础上提出了石墨烯的低温免转移生长技术,打通了低温生长和器件制备的中间环节。针对当前热门的垂直取向石墨烯,开展了从制备到光电器件的一系列研究,提高了垂直取向石墨烯的生长质量,扩展了垂直取向石墨烯在光电领域的应用。除此之外,还设计了一种新型石墨烯光电探测器结构,为石墨烯基高性能光电子器件的开发提供了新的思路。 本论文的主要研究内容如下: 1)探究了使用四苯基萘(C34H24,TPN)作为碳源低温生长石墨烯的方法。作为一种多环芳烃,TPN的脱氢和脱氢后碳基团的成核生长所需的活化能很低,因此在石墨烯的低温生长方面具有一定优势。在TPN中加入一定组分的苯来修复石墨烯生长过程中产生的空位缺陷,将高质量石墨烯的生长温度降至600℃。开发了相应的免转移选区生长技术,避免了石墨烯的转移和光刻图形化工艺可能带来的褶皱、破损和污染等问题。 2)提出了利用多温区热CVD低温生长石墨烯的方法。将三温区热CVD的前端温区设为高温以裂解甲烷,后端温区设为低温并将衬底置于此温区用于生长石墨烯。用计算流体动力学对管式炉的温度场进行仿真,结果显示,这种梯度递降的温度布局,能够保证后端温区在400℃下的裂解碳单体组分（38.51%）与前端温区1000℃下的组分（40.02%）相当。该方法为石墨烯的低温生长提供了充足的碳自由基。对温度场分布进行优化,并通过实验证明,采用这种方法能够实现在400℃以下生长石墨烯。 3)为了提升多温区热CVD低温生长的石墨烯质量,改进了金属催化剂。使用单晶铜代替常规多晶铜,以促进碳原子在催化衬底表面的扩散,并降低石墨烯成核密度。通过优化生长参数,发现适当降低腔室气压可以改善单晶铜催化生长石墨烯的覆盖率,降低氢气组分可以显著提升石墨烯的生长质量,从而改善石墨烯薄膜的连续性和单层率。实现了300℃下高质量、大面积石墨烯连续薄膜的低温生长,拉曼测量结果显示,这种低温生长的石墨烯峰强比值ID/IG低至0.03,I2D/IG为1.67,优于目前商购的1000℃下生长在多晶铜箔上的石墨烯(ID/IG约为0.05,I2D/IG约为1.5)。提出了一种利用单晶铜催化牺牲层进行石墨烯免转移生长的技术,结合低温生长工艺,形成了一套在不超过350℃下低温免转移生长高质量、大面积石墨烯连续薄膜的方法,并将该方法成功地应用于晶圆级石墨烯场效应晶体管阵列的制备。相关成果发表在ACS Applied Materials&Interfaces,2022 14（47）:53174-53182。 4)针对当前垂直取向石墨烯生长缺陷过多的问题,研究了采用冷壁式等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD）系统生长高质量垂直取向石墨烯的方法。优化了相关工艺参数,实现了ID/IG为0.42的垂直取向石墨烯的制备,质量高于大多数文献报道（ID/IG大于1）。基于高质量的垂直取向石墨烯,制备了光电导型探测器,其响应度为同结构单层石墨烯器件10倍以上。相关成果发表在Optical Materials Express,2020 10（11）:2901-2910。提出了一种便捷高效的垂直取向石墨烯选区生长方法,避免了光刻图形化工艺对垂直取向石墨烯造成的污染和结构破坏。相关成果发表在Nanomaterials,2023 13（7）:1242。 5)提出并实现了栅控反向串联石墨烯-硅肖特基型光电探测器。通过透明顶栅调控两个背对的石墨烯-硅异质结的肖特基势垒高度,既提升了光生载流子的分离和输运效率,又大幅降低了器件的暗电流。该器件在792 nm和1

关键词： 石墨烯   赝电容   锌离子杂化电容器   高能量密度   高功率密度  

摘要： 典型的锌离子杂化电容器（ZIHCs）是由电容型阴极和电池级阳极（锌）组成的一种杂化型电化学储能器件。ZIHCs基于多孔碳和锌金属的低成本、大功率密度以及安全等特性获得了广泛的关注。然而,较低的能量密度和有限的循环稳定性仍然制约了高性能ZIHCs的发展。首先,碳阴极的低电容限制了ZIHCs的能量密度。其次,电池型阳极较低的稳定性和较差的利用率也是开发有实际效益ZIHCs的主要挑战。因此,为克服以上困难,本论文通过优化石墨烯的多孔结构、设计额外的赝电容和锌金属阳极改性以提升石墨烯阴极的电子/离子传输动力学,使ZIHCs具备高能量密度、高功率密度以及长循环寿命特性。具体的研究内容如下:（1）采用一种单步溶剂热自组装方法实现聚苯胺接枝石墨烯复合材料。石墨烯的导电性和柔韧性使得聚苯胺在充放电过程中的体积膨胀/收缩得到了缓冲。同时,-SO3-在弱酸性环境下可以结合电解质中的H为聚苯胺提供连续的H+。蒽醌-1-磺酸钠（AQS）和聚苯胺（PANI）与Zn2+的氧化还原反应提供了额外的赝电容,组装的ZIHCs最高可达210 m Ah g-1的大电容,能实现高达175.5 Wh kg-1的能量密度和15.1 k W kg-1的功率密度。在经过10000次大电流充放电循环后,器件的放电容量依然能维持初始值的80.1%,且其循环库伦效率几乎为100%。（2）通过一步水热反应制备了茜素红（ARS）分子锚定的多孔还原氧化石墨烯复合薄膜（PGAF-ARS）。得益于PGAF-ARS的多孔结构和ARS的赝电容特性,该阴极薄膜被赋予了优异的电子/离子传输动力学特性。水系ZIHCs能够显示超高能量密度和最大功率密度的结合,分别达到了184.9 Wh kg-1和20.6 k W kg-1。同时,在0.3 A g-1的电流密度下其比容量能达到230.4 m Ah g-1,在5 A g-1下循环10000圈比容量能保持在初始值的92.6%,展示其结构的稳定性。组装的扣式电容器和柔性器件在电化学测试中表现出优异的可及性和实用性。（3）通过简单的提拉法制备具有纳米级的N掺杂石墨烯复合锌金属涂层（Nr GO）。含氮官能团的平行镀膜层在（002）晶面能够均匀诱导Zn2+的定向沉积,改善了扩散动力学,抑制副反应的产生。在1 m A cm-2的电流密度下,Nr GO@Zn对称电池显示了600个无枝晶循环（超过1200 h）。在5 m A cm-2的电流密度下,电池表现出超过150 h的无枝晶生长过程,其过电位仅为31.1 m V。匹配上述阴极材料制备的储能器件能保持原有的电化学特性,极大的提升了ZIHCs的循环性能。

关键词： 氧化石墨烯   短程孔道   γ射线刻蚀   纳米孔   二维叠层膜   废水净化  

摘要： 氧化石墨烯（GO）具有成膜容易、层间尺寸可调的特点,可以精确实现分子离子分离。然而,堆叠的GO纳米片具有曲折因子大,传质路径长的局限,这限制了高通量GO膜的可行性。在本研究中,我们提出了构建短程垂直孔道的策略,即利用γ射线辐照造孔技术增加GO纳米片的面内孔隙率,从而缩短水分子的传质路径,实现水分子的快速传输。作为膜的传质通道,GO的面内缺陷和层间距通过γ射线技术的辐照剂量得到精细调控。通过调整辐照剂量有效地引入更多的面内孔隙和扩展的层间通道,导致水渗透性显著增强。优化后的膜的透水率为345.23 L m h bar,染料截留率接近100%,并具有优异的染料/盐分离性能（αmax:109.27）,优于文献报道的GO膜性能。高能辐照获得的具有垂直贯通短程孔道的多孔膜为制备高效废水净化和回收的二维膜提供了新的策略。 在此研究基础上,采用高能可控的γ射线辐照和离心相结合的方法,得到具有不同粒径大小的GO纳米片,通过控制GO纳米片的粒径来调节其缺陷结构。辐照产生的羟基自由基刻蚀GO片层,得到较小尺寸的GO纳米片。再经多次离心分级处理,得到大小尺寸不同的GO纳米片。采用真空抽滤的方式将经分级处理得到的GO纳米片沉积在聚醚砜基膜上组装成膜,形成具有不同缺陷结构的短程孔道GO薄膜。利用FTIR、XPS、Raman等手段对纳米片进行表征,对比不同大小纳米片的官能团和缺陷程度的变化,同时对组装的薄膜进行染料截留测试,研究材料本身对薄膜结构和性能的影响。实验结果表明,大尺寸的多孔GO纳米片（L-pGO）倾向于构筑一种紧密堆叠、结构规整、层间传质路径长、面内缺陷较多的流体传输通道;小尺寸的多孔GO纳米片（S-pGO）倾向于构筑一种层间传质路径短、堆积疏松、面内缺陷较少的流体传输通道。L-pGO膜有着849.25 L m h bar的水通量,S-pGO膜有着近100%的染料截留能力。这项工作为后续的二维膜改性提供了一种新策略。

关键词： 太赫兹   超材料   生物传感   石墨烯   动态调控  

摘要： 太赫兹(Terahertz,THz)波是位于微波和红外波之间的电磁波,处于电子学研究向光子学研究的过渡波段。THz波具有光子能量低、穿透性强、“指纹谱”等独特的性质,不会对生物物质产生任何损伤,与超材料(Metamaterials,MTMs)结合能实现高灵敏度生物检测。MTMs是由亚波长周期性结构组成的人工电磁材料,可实现局域电场增强效应和高品质因子,能对微小的环境变化表现出灵敏的频谱反应。因此,THz-MTMs传感器在生物检测领域有很大的应用潜力。此外,MTMs是一种无源器件,一旦成型其电磁性能便固定不变,这限制了 THz-MTMs在包括生物检测在内的各个领域的潜在应用。通过外部动态激励改变MTMs的电磁性能,将大大扩展其应用场景,同时动态MTMs会为生物传感应用提供更多的检测分析维度。本文针对THz-MTMs生物传感应用和石墨烯动态调控MTMs作了研究,利用MTMs生物传感器检测了胶质瘤细胞的增殖凋亡特性,使用具有较高电流开关比的石墨烯调控MTMs的光学特性并分析了其生物传感性能。本论文的主要工作如下:1.本论文提出了一种用THz-MTMs快速、无标记检测并区分胶质瘤细胞增殖和凋亡特征的方法。该生物传感器由周期性叉指电容器构成,其谐振频率f随细胞数量和状态的变化而变化。增殖细胞和凋亡细胞具有不同折射率,会对THz-MTMs产生不同的频移响应。我们首先观察并拟合出谐振频移量Δf和增殖细胞数量、凋亡细胞数量、细胞增殖率、凋亡率的关系式,然后以此为基础评估不同治疗方式对胶质瘤的疗效。这项工作为研究肿瘤细胞的增殖和凋亡特征开辟了新的频谱途径,显示了快速和无标签实现个性化肿瘤治疗的潜力。2.本论文提出了一种基于金属-石墨烯的H形MTMs结构,通过在石墨烯上施加不同的偏压来改变石墨烯电导率,实现了在THz波段的频率、幅度和相位的同步调制。理论上,MTMs的谐振频率随着石墨烯电导率的增加而红移。经测试,THz频谱变化趋势符合理论趋势,所制备出来的器件在低于1.5 V的偏压下,谐振频率和透射幅值的最大调制深度分别达到了 12.6%和100%,谐振频率231 GHz附近的绝对相位调制范围为75°。这项工作为MTMs调制技术提供了一种可行的方法,使得MTMs生物传感多维度和多频段分析成为可能。

关键词： 铝基复合材料   还原氧化石墨烯   制备工艺   微观结构   力学性能  

摘要： 石墨烯和氧化石墨烯增强7075铝合金复合材料相比7075铝合金具有更高的强度、更低的密度、更好的耐磨性、更好的导热性等优势，因此在空天领域和轨道交通等领域具有很好的应用潜力。但是利用球磨制备方法石墨烯增强7075Al复合材料可能会面临石墨烯分散不均匀，制备过程生成Al4C3等诸多问题。因此本文选用氧化石墨烯作为增强体，通过结合静电吸附法和低能球磨法，设计了三种复合材料制备工艺路线来制备还原氧化石墨烯/Al7075复合材料，并用三种制备路线中最好的一种制备路线制备出得还原氧化石墨烯7075Al复合材料和高能球磨制备工艺制备的石墨烯/Al7075复合材料进行了力学性能和微观结构对比。进一步通过第一性原理模拟对复合材料的界面进行模拟计算，验证了静电吸附法可以增强还原氧化石墨烯/Al7075复合材料的界面结合性能，从而提升其力学性能。本文得到的结论如下:　　通过对比三种制备工艺制备所得复合材料的力学性能、微观结构发现先用Mg2+静电吸附法将氧化石墨烯与基体7075Al粉结合，还原反应后将干燥的复合材料粉末进行2h,250r/min的低能球磨的制备工艺最佳。这种方法制备出的还原氧化石墨烯/7075Al复合材料在热压成形与热挤压后其抗拉强度为444.49MPa,延伸率为6.62％。相比纯静电吸附法制备方法和先低能球磨再Mg2+静电吸附的方法制备的复合材料强度分别高16.1％和11.9％,相比高能球磨法制备的石墨烯/Al7075复合材料复合材料提升约26.7％。　　在拉伸断口扫描电镜(SEM)中能发现制备工艺中的低能球磨能够使增强体分散更加均匀，使还原氧化石墨烯能够充分钉扎于基体中发挥弥散强化效果。使用最佳工艺制备的还原氧化石墨烯/7075Al复合材料能通过后续热处理进一步提升强度，且相比石墨烯复合材料仍具备性能上的优势。　　通过X射线光谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等类表征手段发现-COOMg等基团的存在，说明静电吸附法制备方法能使氧化石墨烯与基体通过化学键的方式结合，而化学键的结合强度远高于球磨法的机械结合。　　通过第一性原理模拟证实还原氧化石墨烯表面存留的环氧基能够大量引起氧化石墨烯/Al界面上Al原子和C原子之间的电子转移，表明界面以结合效果更好的化学键相结合，界面结合强度优于以范德华力为主要作用力的石墨烯/Al界面，因此力学性能更优。　　本论文提供了一种可靠的还原氧化石墨烯/7075Al复合材料的制备工艺，并通过表征以及模拟计算进行了理论分析，给还原氧化石墨烯7075基复合材料的发展提供了参考。