关键词： 轨道角动量   石墨烯   微带阵列天线   阿基米德螺旋天线   太赫兹  

摘要： 随着近年来信息的爆炸式增长,通信系统容量的不足与频谱资源紧缺等问题日益严峻。轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)作为一种拥有独特螺旋相位波前的电磁波束逐渐受到研究人员的关注。OAM涡旋波束各个模态之间相互正交,并且理论上可以产生无数种不同的模态。利用这些特性,可以将OAM的模态作为一种新的自由度,达到同时传输多路信号的目的,实现“态分复用”,彻底解决频谱资源紧张的问题。天线作为无线通信系统中最重要的一环,性能优良的OAM天线能在通信系统中起到举足轻重的作用。本文针对目前OAM天线所存在的缺点,结合石墨烯材料,设计了两种基于太赫兹波段的OAM天线,所设计的天线性能优良,能更好的满足未来无线通信系统领域的需求,对未来6G通信具有重要的参考价值。本文的研究内容如下:阐述了 OAM的相关理论,介绍了 OAM产生的主要方法。对石墨烯相关的材料特性进行简单叙述,对石墨烯的电导率和介电常数公式进行推导,指出可以通过外界施压等手段改变石墨烯化学势,从而改变石墨烯电导率。最后对本文所使用的仿真软件进行简单的叙述。针对目前大部分OAM天线所存在的生成模态数量少,回波损耗较小等问题,设计了一种太赫兹波段的石墨烯多模态微带十二阵列OAM天线。仿真结果表明,所设计的OAM天线在中心频率3.7THz左右,S11达到了-63dB,在模态数为1时的增益高达9.27dBi。同时只需简单调整馈电相位,就能够产生模态数为0、1、2、3和4的涡旋波束,达到了产生多模态并且模态可重构的目的。针对目前大部分OAM天线存在带宽较窄的缺点,结合阿基米德螺旋天线宽频带和圆极化等优点,设计了一种太赫兹波段的石墨烯四臂阿基米德螺旋OAM天线。仿真结果表明,所设计的天线带宽大,在工作频段内绝对带宽达到了 8.85THz,在谐振频点5.2THz左右,相对带宽达到了 170%,S11接近-50dB,在模态数为1时的增益高达8.6dBi。本文设计的石墨烯平面螺旋OAM天线在保证宽频带的同时,还能生成模态数为0、1、2和3的涡旋波束。

关键词： 石墨烯片薄膜   超级电容多模式传感器   温变   应变   自分离  

摘要： 本论文制备了包括超级电容在内的基于石墨烯片的薄膜器件,通过改变石墨烯片薄膜电极材料的厚度来实现超级电容传感器的性能调控,施加应力和温度,对传感器的多模式响应进行研究。此外,通过润湿性及接触角测试研究了石墨烯片薄膜的自分离机制。在第一章,本论文概述了超级电容传感器和石墨烯的研究背景,指出了研究石墨烯基超级电容多模式传感器的重要意义。在第二章,本论文介绍了实验所需的材料、设备及四探针法、扫描电子显微镜测试、动态接触角测试、电化学阻抗谱测试等表征方法。在第三章,介绍了石墨烯片薄膜电极的无损制备方法,并对石墨烯片薄膜的导电性、厚度、粗糙度、拉曼光谱等进行分析。在第四章,本论文主要研究了电极材料的厚度对超级电容多模式传感器的性能的影响。在超级电容多模式传感器中,电容量C不随温度变化,但与应力成正比;电荷弛豫时间τ不随应力变化,但lnτ随温度线性变化。多模态感知响应通过调控电容量C和电荷弛豫时间τ的响应曲线,使得在实际使用中两者都发生清晰的响应。本论文通过调节石墨烯片薄膜的厚度实现了对器件响应曲线的调控。在第五章,本论文研究了石墨烯片薄膜的自分离机制。通过接触角测试和表面润湿性的研究,发现薄膜与滤膜间至少存在一方亲水,且滤膜的脱水速率适当时,才能得到无损自分离的石墨烯片薄膜。在第六章,本论文对所做的工作进行了总结,讨论了石墨烯基超级电容多模式传感器更深层次的研究意义。

关键词： 石墨烯   PDMS   机械加载   循环加载   应变转移   褶皱   断裂  

摘要： 由于柔性电子、多功能涂层和纳米复合材料的逐渐兴起,二维（2D）材料与聚合物基底之间的界面相互作用受到越来越多的关注。2D材料通常通过弱范德华相互作用与聚合物基底接触。对于2D材料/聚合物体系,通过机械加载可以方便地施加应变并很好地控制应变。尽管应变对2D材料电学、光学和力学性能的影响已经得到了广泛的研究,但石墨烯/聚合物界面在不断受到循环载荷的作用下可能会出现界面失效,因此动态加载下2D材料/聚合物体系界面力学的研究仍然是一个很大挑战。本文通过单轴和双轴机械加载的方法,对聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上机械剥离法制备的单层和少层石墨烯进行了界面弱化和结构演变研究。通过AFM成像和拉曼光谱的结合,确定了石墨烯的厚度为0.7-0.9 nm/层。单向机械拉伸（释放）产生单轴拉伸（压缩）应变。在单轴机械加载过程中,拉伸应变会导致石墨烯与PDMS之间发生界面滑移,而压缩应变可以有效地传递到石墨烯上,并使得石墨烯产生垂直于加载方向的直条纹褶皱。石墨烯的尺寸和形状对压缩应变的转移效率有着极大的影响,在本实验中石墨烯的应变转移效率在80%以上。对于长而窄的石墨烯,在拉伸过程中石墨烯表面并未发生明显变化,在释放过程中石墨烯产生直条纹褶皱。对于长而宽的石墨烯,在拉伸过程中泊松效应诱导的垂直于加载方向的压缩应变会使得石墨烯沿加载方向产生直条纹褶皱,在应变释放后石墨烯表面形成褶皱网络。通过单轴循环加载,石墨烯的长度、宽度和面积比均先快速减小而后逐渐趋于稳定,石墨烯表面发生严重变形,形成了包括褶皱和裂纹在内的多种失稳结构。详细分析和讨论了褶皱和裂纹的形态特征及演化机制。界面粘附能通过褶皱轮廓曲线进行评估,在循环载荷作用下,界面粘附能从～23 m J/m2下降到～2 m J/m2。石墨烯与PDMS的界面粘附性减弱,最终形成碎片状的石墨烯薄片。此外,单层石墨烯的动态演化比少层石墨烯要快得多。在双轴机械加载下,由于界面滑移,拉伸应变并未使得石墨烯尺寸发生明显变化;但是压缩应变促使石墨烯产生网格状褶皱。其中,在同时双轴释放过程中,石墨烯出现了随机（无确定方向）的网格状褶皱;在顺序双轴释放过程中,石墨烯产生了规则（沿X轴或Y轴方向）的网格状褶皱。此外,在顺序双轴机械加载下压缩应变的转移效率明显高于在同时双轴机械加载下的值。在同时双轴循环加载下,由于循环次数的不断增加,石墨烯的长度和宽度均缓慢减小,褶皱数量也逐渐减少,最大褶皱高度呈现先增大后稳定减小的演化趋势,这与单轴机械加载下的循环过程结果类似。该论文工作可以促进更好地理解2D材料在聚合物基底上的界面效应,以及通过循环机械加载可控地制造2D功能材料的各种褶皱或屈曲表面,并在柔性电子、光电探测、表面工程中发挥积极作用。

关键词： 石墨烯化微球   表面种子生长法   石墨烯金壳结构   金属泡沫材料  

摘要： 金属泡沫材料具有高孔隙率、低密度和大的比表面积等特点,作为多功能材料,具有散热阻燃、吸收冲击能和电磁屏蔽等性能。高纯度和低密度的金泡沫由于优良的激光能量吸收和X射线转换特性作为聚变黑腔壁和靶材料被广泛应用于高能密物理领域。本文设计制备了一种新型的石墨烯片(GS)功能化聚苯乙烯(PS)微球包覆金(Au)壳结构,并利用化学浸泡去除聚苯乙烯核制备出了具有石墨烯内壁的金壳金属泡沫材料。同时,研究了材料的光电特性。本文的主要研究内容如下:1、首先采用两种引发方法的分散聚合法制备聚苯乙烯微球,然后进行重复氨基功能化和金种子生长在微球外表面包覆沉积石墨烯,制备出石墨烯化聚苯乙烯微球(PS@GS)及其石墨烯(GS)带状结构。水浴加热引起的热引发方法制备出了粒径在4～14μm区间可调控的、相对均匀的聚苯乙烯微球,而紫外光照射引起的光引发方法只制备出粒径较小、不均匀的聚苯乙烯微球。石墨烯化微球在扫描电镜照片中出现少量石墨烯带状结构,并且表现出在1319 cm和1594 cm附近的Raman特征峰。2、首先采用改进的表面种子生长方法,以前述石墨烯化微球为模板,成功地制备出金包覆的核壳碳基复合材料(PS@GS@Au)。然后采用稀释四氢呋喃液溶解去除聚苯乙烯内核,制备出了中空的具有石墨烯内壁的金壳的新型双层壳金泡沫材料(O@GS@Au)。PS@GS@Au样品具有在紫外波段350 nm和470 nm附近的两个峰以及高达18 F/g的比电容,并且两个峰的半峰宽随K-H溶液用量增加而下降。双层壳金泡沫材料的壳层仍然比较完整,厚度在40～90 nm之间可调,具有高达1.15 m/g的比表面积。此外样品中金的质量分数超过92%,纯度较高。通过理想空心球壳的模型说明了O@GS@Au的球壳厚度和比表面积存在一定的关系,可以使用球壳厚度估算比表面积。

关键词： 镁基复合材料   石墨烯   热变形   显微组织   力学性能   热导率  

摘要： 本文通过超声波辅助液态铸造成功制备了石墨烯增强Mg-Zn-Zr复合材料,记为x GNPs/Mg-3Zn-0.5Zr(x=0.1,0.3,0.5,1,2wt.%)复合材料,并且对铸态复合材料进行热挤压(Ex)、多向锻造(MDF)和多步变形(MDF+Ex),系统研究了挤压温度、锻造道次和多步变形工艺等对GNPs/Mg-3Zn-0.5Zr复合材料显微组织和性能的影响规律。研究结果表明,GNPs的引入可以促进晶粒的细化,同时还影响Mg Zn相的形貌及分布。随着GNPs含量的增加,铸态GNPs/Mg-3Zn-0.5Zr复合材料的晶粒尺寸减小,块状Mg Zn相逐渐细化为颗粒状,并且主要沿晶界处的GNPs分布。但当GNPs质量分数高于1.0wt.%时,GNPs的团聚现象导致复合材料力学性能的下降。铸态复合材料的屈服强度(YS)和抗拉强度(UTS)高于铸态合金的YS,这主要是细晶强化以及载荷传递机制的共同作用。经过均匀化处理后,固溶强化导致合金和复合材料的YS均有提高。经过热挤压后,GNPs/Mg-3Zn-0.5Zr复合材料发生明显的动态再结晶(dynamic recrystallization,DRX),晶粒显著细化,并且GNPs沿平行于挤压方向分布。随着挤压温度的提高,复合材料的YS和UTS逐渐降低,而断后伸长率(EL)则逐渐升高;随着GNPs的含量增多,挤压态复合材料的再结晶体积分数(V)逐渐升高,而晶粒尺寸(d )则呈现先减小后增大的趋势。与挤压态合金相比,复合材料的YS有显著提升,EL降低。经过多向锻造和挤压的多步变形后,0.5wt.%GNPs/Mg-3Zn-0.5Zr复合材料晶粒进一步细化,力学性能提高。其中3MDF+Ex的复合材料YS、UTS、EL和弹性模量(E)分别达到379.8 MPa、414.9 MPa、2.31%和53 GPa。当前复合材料屈服强度的提升主要与细晶强化和载荷传递强化有关,其对强度贡献分别为55%和35%。GNPs的引入促进了镁基体合金热导率的提高,但随着GNPs含量的增加,复合材料的热导率呈现出先增后降的趋势;当GNP含量为0.5wt.%时,GNPs/Mg-3Zn-0.5Zr复合材料的热导率最高,为130.1 W/(m·K)。挤压温度的升高会引起复合材料再结晶体积分数的增加和溶质原子的固溶程度增大,使得复合材料的热导率随挤压温度的提高呈现出先增加后减小的趋势。随着锻造道次的增加,多步变形(MDF+Ex)后的0.5wt.%GNPs/Mg-3Zn-0.5Zr复合材料热导率逐渐降低,这是晶界体积分数的增大所导致的。综合力学性能和导热性能来看,当前制备的(1MDF+Ex)0.5wt.%GNPs/Mg-3Zn-0.5Zr复合材料实现了导热性能和力学性能的兼顾。在YS和UTS分别达到352.3 MPa、394.8 MPa的同时,其热导率达到137.6 W/(m·K)。

关键词： 双金属MXene   冠醚   氧化石墨烯   Li-CO2电池   正极催化剂  

摘要： 可充电锂-二氧化碳（Li-CO）电池在捕获和转换CO方面的优越性引起了人们极大地关注,被认为是一种很有前途的储能装备。但就目前而言,Li-CO电池还处在发展阶段,电池的循环稳定性差,库伦效率低,放电能力弱,充电电位高,倍率性能差等问题亟待解决。正极催化剂对Li-CO电池的性能影响很大,可以提高Li-CO电池正极的催化活性,增强电池的寿命和循环稳定性。本文设计了基于氧化石墨烯的正极催化剂,通过水热和物理共混的方法制备。电池性能测试显示出优异的循环稳定性和出色的比容量。具体的研究内容和结论如下: （1）采用一步化学蚀刻法制备了多种具有高结晶度的手风琴状MXene粉末,通过超声波和有机溶剂插层制备MXene纳米片水溶液。随后,与氧化石墨烯（GO）水溶液混合并通过水热反应制备了超轻多孔MXene/石墨烯气凝胶（MXGA）,构建了锂-二氧化碳电池的无粘结剂正极。基于TVGA正极的Li-CO电池首次放电的比容量为27880 mAh g(100 mA g),库伦效率达98%,其首次充放电稳定的放电平台为2.77 V,低过电位为1.5 V。在200 mA g的电流密度下,可以保持91个周期的稳定循环。密度泛函理论（DFT）计算表明,与单金属体系相比,双金属固溶体Ti VC中Ti和V之间的独特协同作用增强了界面化学键合能力,实现了活性中心的充分暴露,并促进了催化界面结构重组,从而改善了绝缘性放电产物LiCO的可逆形成和分解,提高了Li-CO电池的电化学性能。 （2）以氧化石墨烯作为基底,冠醚作为修饰改性媒介,通过其丰富的醚氧键固载金属,制备出石墨烯-冠醚-金属三元复合材料（GO-NHCE-M）,用作Li-CO电池正极催化剂。基于GO-NHCE-M正极组装的Li-CO电池在首次放电-充电测试中,最多可提供19100 mAh g的放电比容量。在200 mA g的电流密度下,保持超120个稳定循环。通过对GO-NHCE-M电极片的测试及表征,表明该三元材料具有良好的催化性能。 综上所述,本文制备了基于石墨烯的正极催化剂,该材料有效地促进LiCO的可逆形成与分解,提高了Li-CO电池的比容量和循环稳定性,提高了电池的库伦效率和倍率性能,为探索Li-CO中更多正极催化剂的发展和应用提供了新的思路和方法。

关键词： 石墨烯   钛硅分子筛   催化性能   绿色化学  

摘要： 随着化学工业生产的迅猛发展,大量废弃物的排放造成了严重的环境污染,也威胁到了人类社会的可持续发展。化工过程绿色化已成为现今社会发展的必然趋势,其中新型绿色高效催化剂的应用是开发绿色化工过程的重要体现。钛硅分子筛（TS-1）是一类骨架由硅氧四面体和钛氧四面体组成的新型分子筛材料,骨架中四配位Ti的引入赋予了其良好的催化性能,结合低浓度HO氧化剂的使用,为许多高毒性、高污染的传统氧化反应过程提供了绝佳的绿色化方案,近些年来作为新一代绿色催化材料引起众多学者的关注。石墨烯作为二维材料中的代表物质,因其特有的结构和性质成为研究的热点,被广泛应用于新能源与材料研究领域,在催化材料领域也被寄予厚望。研究石墨烯的引入对TS-1的制备和催化性能影响,在理论和实践研究方面均具有一定的科研意义和潜在应用价值。本文在TS-1分子筛水热合成过程中引入两种形态的石墨烯,考察了包括石墨烯引入顺序、引入量等对TS-1的影响,确定了引入石墨烯后所制备材料的最佳晶化温度、晶化时间和焙烧温度等分子筛制备关键参数。采用SEM、XRD、FT-IR、UV-vis、BET等技术手段对制备的材料进行分析表征,以苯酚羟基化反应评价了分子筛的催化氧化性能,并对两种体系下合成的材料进行了对比讨论。论文的主要研究内容和结果如下:1、在TS-1合成液中引入由超临界CO流体剥离制备的粉体石墨烯,成功制备了TP系列分子筛材料。结果表明,粉体石墨烯的引入并未改变分子筛的晶相结构和形貌,所合成的TP系列分子筛催化性能均优于TS-1。经优化的制备条件如下:在TS-1除醇前引入石墨烯,粉体石墨烯添加量为0.05 wt%/（Si O）,晶化温度为170℃,晶化48 h,焙烧温度为550℃,制备得到的TP分子筛材料苯酚相对转化率最高,可达到23.44%,目标产物苯二酚对邻比为3.00。2、在TS-1合成液中引入由电化学方法制备的溶液石墨烯,成功制备了TL系列分子筛材料。结果表明,引入不同量溶液石墨烯的TL分子筛,同样未改变分子筛的晶相结构和形貌,同时催化氧化性能得到进一步提升,达到较优水平。经优化后的制备条件及催化性能结果如下:在溶液石墨烯添加量为去离子水质量的2wt%,晶化温度为170℃、晶化时间48 h、焙烧温度为550℃下制备得到的TL分子筛材料具有更好的催化性能,苯酚相对转化率能够达到24.24%,目标产物苯二酚对邻比为2.73。综上,在TS-1合成体系中添加由不同方法制备得到的石墨烯对TS-1合成及性能的影响效果有所差异,但石墨烯的添加均未改变TS-1分子筛的晶相结构,在催化苯酚羟基化反应中均表现出更优异的催化性能,上述研究能为石墨烯在TS-1合成中的应用提供一定的借鉴。

关键词： 氧化石墨烯膜   微波还原氧化石墨烯   发光光谱   磺胺二甲嘧啶  

摘要： 背景氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）是一种石墨烯衍生物,具有稳定的化学性质和丰富的含氧官能团。GO分散液制备的GO膜拥有大的比表面积和优异的选择透过性,被广泛的应用于污水净化领域。磺胺类抗生素是我国水环境中最突出的污染因子之一,长期暴露在水环境中会诱导细菌产生抗药性基因,进而危害人类健康。因此,开发一种高效去除磺胺类抗生素的石墨烯膜材料对污水净化具有重要的意义。目的（1）获得一种离子调控制备GO膜的方法;（2）研究离子调控的GO膜及其微波还原过程和机理;（3）将微波彻底还原后获得的还原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide,RGO）膜命名为MWRGO。研究MWRGO高效吸附水溶液中的磺胺二甲嘧啶（Sulfamethazine,SMZ）的吸附特性和机理。方法（1）将盐溶液处理和滴涂法相结合,在滤纸表面制备不同离子调控的GO膜;（2）采用微波还原法,研究不同离子制备的GO膜的微波还原光谱及其微波还原效果;（3）通过将MWRGO放入到SMZ溶液中,研究不同离子调控的MWRGO对SMZ的吸附效果;（4）通过研究p H、离子强度对吸附结果的影响以及吸附等温线和吸附动力学模型,研究Na+调控制备的MWRGO吸附SMZ的特性和机理。结果（1）将GO分散液均匀的滴涂在盐溶液处理后的滤纸上,低温烘干后,从滤纸上完整地剥离下来一张GO膜;（2）不同离子的引入和微波还原改变了GO膜的形貌结构、电学性质,微波还原后的GO膜,表面粗糙、层间距变大,电导率极大提升。盐溶液引入的金属离子不同,RGO膜的微波还原光谱和还原效果不同;（3）不同离子调控制备的MWRGO对SMZ的吸附能力不同,Na+调控制备的MWRGO对SMZ的吸附效果最佳;（4）溶液的p H为6、离子强度为零时,MWRGO-Na Cl能高效吸附溶液中的SMZ,最大吸附量为163.74μmol/L。吸附过程符合准二级动力学吸附模型,属于优惠型化学吸附。结论（1）通过结合离子调控和滴涂法,在滤纸上制备GO膜是一种简单高效、环保经济的获取石墨烯膜材料的方法;（2）金属离子的引入影响了RGO的微波还原机理,因此GO膜中含有的金属离子不同,微波还原的发光光谱和还原效果不同;（3）MWRGO是一种优良的吸附剂,能够高效去除溶液中的SMZ。无离子处理的MWRGO对SMZ的最大吸附量为132.15μmol/g。碱金属Na+的引入,提升了MWRGO对SMZ的吸附速率,最大吸附量也提高了20%左右。

关键词： 氧化石墨烯   热氧老化   抗老化性能   黏流特性   胶体结构   羰基  

摘要： 沥青路面由于不能应对复杂多变的交通运载及气候环境的作用,路用性能会过快衰减。纳米材料凭借其独特的表面效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应常被用做沥青改性剂以提高沥青的高低温性能及抗老化性能。为研究氧化石墨烯(GO)改性沥青老化前后的性能及其抗老化机理,本文首先对老化前后的沥青进行物理性能测试,然后分别测试并分析了不同沥青老化前后的高温黏弹特性、疲劳性能、低温热性能、组分变化及胶体结构、羰基官能团与亚砜基含量、微观结构、纳观黏附力及微观结构演化,最后基于自由基理论并结合GO结构特性、沥青胶体结构及含氧官能团含量分析了 GO改性沥青的抗老化机理。主要研究结论如下:(1)老化前后GO改性沥青物理性能、高温黏弹特性、疲劳性能及低温热性能的测试结果表明,GO的加入可降低沥青老化前后的温度敏感性,同时提高高温稳定性和抗老化性能,延长沥青的使用寿命。GO/SBS改性沥青抗疲劳性能最优,然而GO会降低沥青的低温稳定性,但影响很小。热氧老化可改善沥青的三维网状结构并提高沥青的交联密度,GO的加入可显著提高沥青的交联密度,且对70#基质沥青的改性效果优于苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青。(2)老化前后GO改性沥青胶体结构与化学特性的测试结果表明,GO的加入会使沥青中的芳香分向胶质和沥青质转化,同时也降低了热氧老化对沥青组分含量及胶体稳定性的影响。热氧老化使沥青中的羰基与亚砜基含量增多,其中羧酸和酮是主要老化产物。GO的添加可促进酰胺的生成,有利于GO与沥青的混溶,同时有效抑制了沥青中羧酸与酮含量的增加,提高了沥青的抗老化性能。(3)老化前后GO改性沥青的微观特性研究结果发现,热氧老化会引起沥青微观表面结构及蜂型特征发生剧烈变化,而GO改性沥青的蜂状结构形貌变化程度相对较小,相态间的界限变化较明显。GO的加入可减少蜂状结构的数量,增大蜂状结构的尺寸,且GO改性沥青表面粗糙度更低,表面更为平坦,致使其纳米尺度的相态间差异更小,证明GO改性沥青的组分含量比例更佳,胶体结构更稳定。(4)加入GO的沥青胶体结构更加稳定,芳香分含量略微降低,但在老化后油分的变化幅度更低,说明GO对轻质组分具有一定的吸附性,并对收入层间的组分产生遮蔽保护,进而减少其挥发或发生聚合、脱氢等反应,从而起到提高沥青抗老化性能的作用。基于自由基理论,GO能够有效降低O2的渗透量和渗透速率,一方面降低了链引发过程中自由基的生成速率,另一方面降低了 O2与已生成自由基的反应速率,延长链式反应时间,抑制羰基及亚砜基的增长,从而提高了沥青抗老化性能。

关键词： 超表面   石墨烯   等离激元诱导透明   动态调谐   功能器件  

摘要： 电磁超材料具有灵活的电磁波调控能力,这种电磁波调控能力为微纳光子功能器件领域提供了更优秀的功能器件模块解决方案。等离激元诱导透明PIT(Plasmonic Induced Transparency)作为超材料领域的研究分支之一,可以解决解决微纳结构中的光通断控制、光速调控、光存储设计、非线性光学和折射率传感测量等问题,是未来纳米光子学芯片可选的功能化结构单元之一。本文以石墨烯超材料为基础,以等离激元诱导透明现象为主要研究对象,通过有限时域差分法进行仿真实验,采用洛伦兹理论和耦合模式理论对PIT现象进行数值模拟计算和分析。结合目前可调谐PIT器件还存在功能,调谐自由度较为单一,应用背景不够明显的问题,本文通过仿真软件研究了PIT功能器件的实用性以及通过调节关键参数来提高其性能。相应的所做的工作如下:1.设计了一种基于图案化石墨烯PIT的三频异步滤波器,当石墨烯层数N=3,改变费米能级从0.2 e V-1.2 e V时,仿真结果表明该器件的调谐范围为3.67μm-9.53μm,可以覆盖两个大气窗口。此外,还通过改变偏振角,实现了对PIT效应开关进行控制,基于此实现了三频异步滤波。对模拟结果分析得出在相对较高的费米能级时可以实现90%以上的调制深度和较低的插入损耗。因此,该工作在两个大气窗口中实现了一个动态可调的三频异步滤波器。考虑到超表面的超薄特性以及石墨烯高载流子迁移率,该滤波器具有调动更多维度光场信息,小体积,快速响应的特点,为红外探测器的滤波模块提供了一种器件设计方案。2.设计了一种基于超材料-波导混合系统多功能器件,该器件可以产生三PIT现象,并且三个PIT在构造原理上都各有其特点,三个PIT中,尤其是PIT-I可以通过改变费米能级实现PIT和BIC的切换,PIT-III由于是低Q宽带亮模和高Q导模近场耦合而成,两者都具备高的品质因子Q,这也正是提高慢光器件和折射率传感器件性能的关键指标。在传感方面,PIT-I可以实现灵敏度S=0.30 THz/RIU和FOM=16.6,具备不错的传感表现,其中可调FOM是我们设计的突出优势;在慢光方面当E=为0.6 e V时,PIT-I的群延迟可达到29.5 ps,而当E=为1.0 e V时,PIT-III的群延迟可达到105.7 ps。因此,我们的设计在慢光下具有优秀的性能。此外,该器件在多频光开关、窄带滤波等方面也有潜在的应用前景。这种基于不同机制的设计方法也为多PIT功能器件的设计提供了一种新的思路。本文的研究成果展示了基于石墨烯超材料的PIT器件实现各种功能的途径和方法,展示了结构设计对于器件性能的提升,为微纳光子功能器件提供了可选的设计方案。