关键词： H-A-GFET   石墨烯   水凝胶   急性心梗   便携电子装置  

摘要： 急性心肌梗死作为心血管疾病的主要死因之一,现已经成为世界人口死亡的主要病因,并且急性心肌梗死还具有牙痛,肩痛等非典型病症,这也就导致了急性心梗难以在早期被诊断出,因此急需一种简单便捷的检测方式用于急性心梗的快速检测。近年来,随着人们对这一领域的研究探索,发现心肌肌钙蛋白(Cardiac Troponin I,c Tn I)作为生物标志物可以有效的反映出急性心肌梗死的发病几率。但目前大多数对c Tn I蛋白的检测方法都存在着检测流程繁琐,检测设备过大等缺点,难以实现患者在非医疗环境下的快速检测。本文结合核酸适配体-石墨烯场效应管对蛋白分子快速准确的检测能力和水凝胶结构疏松多孔的特性,提出了一种三维结构的生物传感器(Hydrogel aptamer graphene fieldeffect transistor,H-A-GFET),为急性心梗的检测提供新思路。 本文对石墨烯场效应晶体管(Graphene field effect transistor,GFET)的电化学特性和H-A-GFET的信号响应原理展开研究,揭示了石墨烯导电沟道内载流子数目变化的影响规律,进而得到了H-A-GFET的传感机理。通过希尔方程建立了传感设备的电学响应信号和生物标志物浓度的数学模型,为H-A-GFET检测c Tn I蛋白提供了理论支持。 采用微机电加工工艺完成场效应管和石墨烯导电沟道的制作,对表面功能化修饰,进行表征实验来验证修饰的成功;自组装水凝胶-核酸适配体敏感层结构来完成H-A-GFET的制备,并通过表征测试和过滤实验来验证水凝胶结构对血液内非目标物的过滤能力。 对H-A-GFET的检测功能进行实验验证,分别在磷酸盐溶液,血清和血液中对c Tn I蛋白进行检测,处理实验数据得到传感器的信号响应与生物标志物浓度的函数关系,计算得出在血液内对c Tn I蛋白检测的准确率可达85.80%,最低检测限可达1.52 f M,满足人体血液中c Tn I蛋白的浓度范围的检测要求。 基于H-A-GFET设计制作了配套的便携式电子装置,进行了相应的软硬件设计,便携式电子装置的大小为120 mm×100 mm×25 mm,检测时间在10分钟以内,使用该电子装置可以初步实现患者在家庭环境下对急性心梗的检测,为早期的急性心梗筛查提供新思路。

关键词： 苯并三氮唑   高级氧化   钙钛矿   复合材料  

摘要： 随着新材料和新化学物质不断被开发和应用,多种新兴有机污染物进入到环境中。特别是,苯并三氮唑（BTA）作为一种含氮的新污染物,广泛分布于循环冷却水、机场排放污水以及选矿废水等环境介质中。该物质具有低浓度高危害性,进入自然环境后,会对人类及动植物构成威胁。电催化耦合臭氧氧化技术（E-peroxone;EP）因其高效、灵敏的独特优势一直是难降解有机物领域的研究热点,该技术的核心是开发绿色、高效、可循环使用的新型催化剂。本研究针对现有的催化材料存在的催化效率低、电子转移性能差以及不易回收缺点,采用水热合成法制备了铁酸铈/石墨烯（Ce Fe O/GO）磁性复合材料,考察了其作为催化材料强化EP降解BTA的效果,并对其降解机理和增效作用机制进行了探讨。首先,采用水热法成功制备了磁性Ce Fe O/GO复合催化材料。通过SEM-EDS、TEM、XRD、BET、VSM以及XPS等对其理化性质进行了表征,结果显示球状的Ce Fe O成功负载于片状结构的GO上,具备较好的比表面积及磁性。材料制备时,Ce Fe O与GO的最佳质量配比为1:1;当p H值在自然条件下其值为6.5、催化剂投加量为0.2 g/L、电流密度为4 m A/cm、曝气流量为0.5 Nl/min时,降解时间为50 min时,Ce Fe O/GO强化EP化降解BTA的去除率可达到99.95%左右,其反应过程符合一级动力学模型。其次,通过淬灭反应、EPR、液相色谱-质谱联用及DFT理论计算分析对Ce Fe O/GO强化EP降解BTA的降解机制进行了探讨。结果表明,Ce Fe O/GO复合材料在EP的作用下产生了羟基自由基（·OH）、超氧根自由基（·O）和单线态氧（O）,是通过三者共同作用攻击BTA的C=C及C-N,氧化降解BTA,可能出现两条降解途径,其一为首先通过分子臭氧与BTA中的苯环发生亲电加成后开环降解;其二为在C位上发生加成,然后开环后降解成小分子化合物。最后,为了将该技术在实际应用中推广,采用Ansys软件对臭氧气泡的进行了模拟并构建了连续流装置,对材料的稳定性进行了评价,通过PBM气泡模型研究臭氧初始气泡大小以及气泡表观气速对氧化柱内气泡行为的影响,结果显示,在实际氧化柱操作过程中,应选择气泡粒径较小同时表观气速适中来进行氧化试验,这样有助于增大传质效率。同时,通过连续流实验装置研究了该复合材料的稳定性,连续10天运行BTA的去除率能维持在87%左右;在连续流运行过程中,Fe、Ce的溶出含量分别为0.267mg/L、0.302 mg/L,可见磁性石墨烯具有较强重复利用性。综上,本研究结果可为含氮类新污染物等废水的有效处理提供技术指导和理论依据。

关键词： 碳基材料   柔性传感器   手势识别   集成化器件   人机交互界面  

摘要： 伴随着5G时代的来临,人们在数字世界中与电子设备的联系日益增加,人机交互技术作为人们物理世界和数字世界沟通的桥梁受到产业界和学术界的广泛关注。如何实现高效、便捷、自然的人机交互,这对作为人机之间信息流处理的人机交互界面提出了新的挑战。因此,本文将以激光诱导石墨烯(Laser Induced Graphene,LIG)为研究对象,围绕人机交互界面的开发与优化为主题,开展了用于优化手势人机交互界面的LIG应力传感器和用于开发呼吸人机交互界面的LIG湿度传感-热声执行一体化器件的研究,包括结构设计工艺,器件制备方法,并进行实验测试与验证。论文的具体研究内容如下:(1)针对视觉手势交互界面的环境适应性问题,开展了用于应力手势数据获取的激光诱导石墨烯柔性应力传感器研究。从LIG的形成机理入手,探究了LIG柔性应力传感器的结构设计、制备流程和性能优化方法,并对研制而成的传感器件进行了实验测试,测试结果表明:本文研制的LIG柔性应力传感器具备优异的灵敏度和稳定性,将LIG传感器装载到手指关节处时,可通过监测传感器的电阻信号来准确获取各手指的弯曲情况,实现了基于应力传感器的手势特征提取。(2)针对手势交互界面的人群适用性和低集成度问题,开展了用于呼吸信号感知和发声反馈的激光石墨烯湿度传感—热声执行集成化器件研究。采用激光诱导技术制备了图形化LIG叉指电极,通过在叉指电极上滴涂氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)作为湿敏材料构建了LIG柔性湿度传感器。同时,系统地探究了GO滴涂量对于湿度传感器性能的影响,获得了兼顾高灵敏度和快速响应/恢复时间的优化工艺参数。基于热声效应理论,研究了激光工艺参数对LIG热声器件发声性能的影响。最后,研究了集成化器件的结构设计方法,基于双面激光打印的策略,在Nomex基底上分别集成了LIG湿度传感器和LIG热声器件,使得制备出来的集成化器件同时具备传感和反馈功能。(3)基于本文研制的LIG柔性传感与集成化器件,开展了其在人机交互界面中的应用研究。其一,探索了多传感数据的融合方法,探究了经典卷积神经网络模型的图像特征提取能力,选取了识别精度高、识别速率快的Mobile Net模型作为图像手势特征提取的卷积神经网络,基于特征层融合的方法研发了应力和视觉的双模态人机交互界面,该交互界面在暗光条件下仍能达到90%以上的手势识别准确率,满足了基于视觉的手势交互界面在暗光条件下的人机交互需求。其二,研究了无需肢体的呼吸人机交互方法,基于单一人机交互器件完成了交互界面的信息输入与输出,同时实现了基于呼吸控制的智能设备控制,成功研发了更具友好性和便捷性的呼吸驱动人机交互界面,满足了肢体能力丧失等特殊人群的人机交互需求。本文的研究成果推动了多场景及多类人群背景下的高效、便捷、自然的人机交互,促进了人们物理世界和数字世界的有机融合。

关键词： AZ31镁合金   石墨烯   微结构   强韧化   时效   拉压循环  

摘要： 为了获得更高性能的镁基复合材料,采用石墨烯纳米片(Graphene nanoplatelets,GNPs)作为增强体并将其先进行水基超声分散以避免团聚,以AZ31镁合金作为基体制备了GNPs均匀分布的GNPs增强AZ31镁基复合材料(GNPs/AZ31)。探究了GNPs添加量和T6热处理对GNPs/AZ31复合材料微结构与力学性能的影响,更进一步地揭示了微结构演化与力学性能变化之间的关系。本文主要研究结论总结如下:(1)为了提高GNPs在GNPs/AZ31复合材料中的分散效果,对GNPs粉体进行水基超声分散,GNPs先在十二烷基硫酸钠(Sodium Dodecyl Sulfate,SDS)的去离子水溶液中超声振荡,以车削AZ31镁片作为GNPs载体制备GNPs-AZ31复合片,避免在后续制备镁基复合材料时的GNPs团聚。结果发现,复合片上GNPs的拉曼光谱中的I/I值由原来的2.42减小到1.12,表明水基超声分散有助于减少GNPs的层数。(2)采用半连续铸造工艺与热挤压试验相结合制备了GNPs添加量(质量分数,wt%)为0.1wt%、0.3wt%和0.6wt%的GNPs/AZ31复合材料,开展了单轴拉伸和微结构表征试验。单轴拉伸试验结果表明,GNPs/AZ31复合材料的强度和延伸率随着GNPs添加量的增加都得到了提升。GNPs添加量为0.6wt%时,抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂功分别达到了360MPa、253MPa、23.7%和72 J·m,比GNPs添加量为0.1wt%的GNPs/AZ31复合材料分别提高了6.2%、4.1%、16.2%和24.1%。微结构分析表明,GNPs在复合材料内呈均匀分布,随着GNPs添加量的增加,GNPs/AZ31复合材料晶粒尺寸逐渐减小,位错密度逐渐增加,(0002)基面织构强度出现了减弱,断口中解理平台、撕裂棱、阶梯等脆性断裂特征逐渐减少,韧窝数量逐渐增加。(3)对T6热处理后的0.3wt%GNPs/AZ31复合材料开展了单轴拉伸和微结构表征试验。单轴拉伸试验表明,经过T6热处理后的GNPs/AZ31复合材料的强度和韧性都得到明显改善。其中,在300℃固溶1 h并进行200℃时效20 h的力学性能最好,抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂功分别达到了381MPa、258 MPa、23.7%和76 J·m,相比于未处理态,分别提升了9.5%、4.5%、13.9%和24.6%。维氏硬度也在时效20 h时达到最大值,较未处理态提升了34.4%。微结构分析表明:随着时效时间的增加,第二相(MgAl)的析出数量呈现出先增加后减少的趋势,以粒径≤1.0μm的小尺寸颗粒的析出为主,在时效20 h达到峰值,与热处理后的材料强度变化趋势保持一致;在2θ为35.8°-36.1°和40°-45°范围的第二相(MgAl)衍射峰强度随着时效时间的增加得到了提高;经过T6热处理之后,(0002)基面织构强度均得到提高,进而有助于提升拉伸强度;同时,断口中的阶梯数量变多,形貌看起来更粗糙,这与拉伸试验材料强度的提升保持一致。(4)对初始挤压态GNPs/AZ31复合材料开展了拉压循环疲劳试验和微结构表征试验。拉压循环疲劳试验结果表明:当应变幅值为0.5%时,GNPs/AZ31复合材料的疲劳寿命随着GNPs添加量的增加而显著增加,但是当应变幅值增加至1.0%、1.5%时,GNPs/AZ31复合材料的疲劳寿命变化不明显;随着应变幅值的增加,GNPs/AZ31复合材料的疲劳寿命(循环周次)减少,应力幅值、平均应力、最大应力和最小应力与加载周次的关系曲线的变化幅度也呈现出越来越大的趋势。微结构分析表明:随着应变幅值的增加,晶粒内的孪晶数量增多,并伴有交叉孪晶;裂纹源在试样表面形核并向内扩展,疲劳断口的表面粗糙度逐渐增加,裂纹扩展区的面积逐渐减小,滑移带和微裂纹的宽度都逐渐减小。

关键词： 谐振波导光栅   石墨烯   光吸收增强   光探测器   谐振腔模式  

摘要： 光电探测器作为光接收端的一个重要组成部分,在光通信领域有着重要的应用。随着通信速率和通信质量的不断提高,研究具有宽响应波长和高响应度的高性能光电探测器的需求日益凸显。石墨烯作为新型二维材料的代表,因其优越的光电特性在光电探测领域表现出很强的应用潜力。为了克服波分复用系统中传统光接收端分立器件结构存在的尺寸大、集成度低的缺点。本文以基于石墨烯材料的光电探测器为主要研究对象,从石墨烯光电探测器中石墨烯吸收效率过低导致器件响应度低的关键问题入手,基于不同的微纳光栅结构构建石墨烯光探测器模型。得益于谐振波导光栅以及谐振腔结构对光场模式的调控能力,所提出结构模型在实现波长选择性探测的同时还具有带宽调控的功能。论文主要研究工作及相应结果如下:(1)基于零对比度光栅和高对比度光栅结构,分别提出了具有波长选择特性的石墨烯光探测器的不同模型。对于零对比度光栅的石墨烯光探测器模型,基于耦合模理论建立了器件物理模型,揭示了相关物理机理。结果表明,石墨烯在波长1535.8 nm和1555.0 nm处实现了近乎完美的双窄带吸收,吸收率分别可达99.8%和99.9%。对于高对比度光栅的石墨烯光探测器模型,主要研究了高对比度光栅对结构模型的影响。结果表明,光栅层厚度的变化可以使得谐振峰在1.5μm–1.6μm的波长范围内发生偏移的同时保持高吸收效率,并且谐振腔长度的变化会使光谱呈周期性规律出现。(2)基于谐振光栅结构对光场模式的调控能力,构建出双层非对称超构光栅结构的石墨烯光探测器模型。基于耦合模理论建立了器件的物理模型,采用有限元法研究了模型性能。结果表明,改变结构中谐振腔的腔长,使得结构的本征值信息发生变化,进而在实现波长选择性吸收的同时还能调控其带宽,线宽的变化范围为0.2 nm–1.2 nm。此外,基于石墨烯的化学势可调特性实现了吸收效率的动态调节。

关键词： 天青C   中性红   N掺杂石墨烯气凝胶   超级电容器  

摘要： 超级电容器（SCs）是一种绿色储能技术,在许多便携式器件和工业中应用前景广阔。目前,水系超级电容器具有相对较低的能量密度,因此人们对高比电容和宽电压窗口的SC电极材料产生了浓厚的兴趣。因具有极高的比表面积和高理论比电容,石墨烯在SC应用中深受关注。然而,石墨烯的实际比电容总是表现的不理想。因此需要开发有效的方法来提高其比电容。在众多的改性方法中,调控石墨烯组成和结构是一种有效的方法。杂原子掺杂可以赋予石墨烯更强的电子传导性、更高的比表面积和更多的氧化还原活性位点,还能带来额外的比电容。与碳（C）原子相比,氮（N）原子半径与其相当但电负性更高。因此,N是一种常用和理想的石墨烯掺杂剂。N掺杂石墨烯气凝胶（NGA）不仅具有二维N掺杂石墨烯（NG）的固有优势,而且还具有高度多孔的三维（3D）结构。这种孔隙结构能够有效地避免二维NG的堆积或聚集,加快离子传输,提高电容性能。然而,纯NGA的比电容仍然不足以满足实际应用。最近的研究表明,氧化还原活性的π-共轭稠环有机小分子可以与石墨烯气凝胶（GA）通过非共价π-π共轭作用形成扩展的π-共轭复合材料,该复合材料拥有增强的电容性能。但是,目前关于氧化还原活性的π-共轭稠环有机小分子非共价功能化NGA用于SC的研究较少。考虑到NGA的比电容优于GA,本文在NGA中分别引入氧化还原活性的天青C、中性红和苯胺四聚体形成相应的非共价π-π共轭作用的复合材料,然后研究复合材料的电化学性能和循环稳定性并用于组装电容器。主要研究内容如下:（1）用水热法制备了一种具有氧化还原活性的天青C功能化的NGA（AC-NGA）。AC-NGA在全部p H值范围具有优异的电荷存储性能(在1.0 A g-1的电流密度和1.2 V的宽电压窗口下具有591.1 F g-1的高比电容)。当扫描速率为2 m V s-1时,AC-NGA的电容贡献率为91.70%。此外,组装的AC-NGA//AC-NGA对称水系超级电容器实现了高能量密度和高功率密度(15.2-60.2 Wh kg-1,650-23,000 W kg-1)以及在酸性、中性和碱性水溶液中出色的循环稳定性。（2）用水热法制备了一种具有氧化还原活性的中性红修饰的NGA（NR-NGA）。NR-NGA在全部p H值范围内具有优异的电荷存储性能(在1.0 A g-1的电流密度和1.2 V的宽电压窗口下具有784.9 F g-1的高比电容)。当扫描速率为3 m V s-1时,NR-NGA电荷储存中的电容贡献率为91.74%。此外,在900 W kg-1时,组装的NR-NGA//1.0 mol L-1KOH//LDH非对称水系超级电容器的能量密度高达215.1 Wh kg-1;在18 k W kg-1的高功率密度下该器件仍能达到77.4 Wh kg-1。NR-NGA//1.0 mol L-1H2SO4//GA器件在950 W kg-1时能量密度可达41.7 Wh kg-1。NR-NGA//1.0 mol L-1Na2SO4//Na Mn O2-x器件在1.55 k W kg-1时能量密度为91.4 Wh kg-1。另外,在酸性、中性和碱性水溶液中,器件的长期循环稳定性优异。（3）首先通过化学聚合法在氧化石墨烯表面制备苯胺四聚体,然后通过两步低温水热合成苯胺四聚体修饰的NGA（AT-NGA）。AT-NGA在全部pH值范围内具有优异的电荷存储性能(在1.0 A g-1的电流密度和1.1 V的宽电压窗口下具有699.1 F g-1的高比电容)。在1 m V s-1的低扫描速率下,电容贡献率为94.1%。AT-NGA//1.0 mol L-1H2SO4//GA非对称超级电容器在900 W kg-1时能量密度为35.8 Wh kg-1;AT-NGA//1.0mol L-1Na2SO4//Na Mn O2-x非对称超级电容器在1.65 k W kg-1时能量密度为71.8 Wh kg-1;在900W kg-1时,AT-NGA//1.0 mol L-1KOH//LDH非对称超级电容器的能量密度为48.2 Wh kg-1。这项工作为将氧化还原染料类π-共轭稠环有机小分子或苯胺齐聚物与杂原子掺杂的石墨烯气凝胶结合起来,构筑全p H绿色高效的水系超级电容器提供了一种经济有效的策略。

关键词： 硼氢化钠水解   Co-Ni-Co纳米层   羧基化石墨烯   产氢机理   置换法  

摘要： 硼氢化钠(NaBH)具有较高的储氢量能够自发产氢,水解反应对环境友好,其水解副产物NaBO无毒无害,但水解过程较缓慢需要催化剂的催化来实现按需产氢。在众多非贵金属催化剂中,钴基催化剂虽表现出良好的催化产氢性能但仍存在一些问题,为解决钴基催化剂团聚和失活的问题得到更好的产氢催化剂,本文在羧基化石墨烯载体上制备了Co/rGC、NiCo/rGC和Co-NiCo/rGC催化剂,通过XRD、TEM、XPS等表征手段对其结构、形貌和价态等进行分析,改变水解产氢条件探究其催化硼氢化钠水解制氢的性能。主要研究内容如下:1)通过氯乙酸改性制备得到羧基化石墨烯(rGC)。研究结果表明,当以氯乙酸作为亲核试剂,在35℃条件下,用2 g氯乙酸和1 g NaOH对氧化石墨烯进行羧基化改性可获得良好的羧基化石墨烯rGC。其比表面积为改性前的1.3倍,且XPS和FTIR表征中可清晰观察到C-O键减少-COOH官能团增多,用亚甲基蓝测定羧基化石墨烯中羧基浓度为0.13235μM·mg。2)在羧基化石墨烯载体上先后用还原法和置换法制备了Co/rGC和NiCo/rGC催化剂,研究结果表明,置换30 min后NiCo/rGC催化剂呈现均一的层状结构,证明羧基化石墨烯的加入能够有效改善催化剂的团聚问题。两种催化剂在p H为10,水解温度为35℃时对催化硼氢化钠水解制氢有较高的活性,NiCo/rGC催化剂产氢速率为2926.15 m L·(min·g),活化能为27.70 k J·mol,相较于Co/rGC反应活化能(31.49k J·mol)有明显降低。3)采用还原法对置换后溶液中的Co进行还原使其重新负载到催化剂表面,得到2D纳米层Co-NiCo/rGC催化剂。结果表明Co-NiCo/rGC催化剂在p H为10,水解温度为35℃条件下具有最高效的产氢活性,其产氢速率为3586.67 m L·(min·g),活化能有效降低至23.77 k J·mol,在5次循环测试中仍能保持95.3%的产氢活性。并探究了Co-NiCo/rGC催化剂的产氢机理,以羧基化石墨烯为载体使催化剂更好的分散,Ni、Co金属活性位点得到充分暴露,更有助于产氢过程中的电子转移和金属间协同作用,极大提高催化产氢速率。

关键词： 石墨烯   超级电容器   聚电解质   湿气发电   一体化能源器件  

摘要： 清洁、可再生能量的收集与转化是能源发展的重要方向,对人类社会的可持续发展具有重大意义。近年来,新型湿气发电技术能够利用空气中的水汽与功能材料相互作用直接产生电能,是一种全新的能量收集转化形式,有望将空气中巨量的水汽资源开发从而为人类社会提供电能。虽然湿气发电材料和器件研究已经取得了一定的进展,但是其内部湿气发电机制仍不明确,湿气发电性能有待进一步提高,面向柔性等特定领域应用的设计仍然匮乏,以及如何将湿气发电产生能量进行存储利用等问题将是湿气发电技术研究和发展的关键。 基于此,本论文通过对聚苯乙烯磺酸水汽吸附-离子迁移行为研究,进一步认识了湿气发电过程机制,发展了高性能湿气发电纤维状微器件;构建了微电极空间交错的石墨烯电化学电容储能器件,实现了单位面积高容量和机械柔性的结合;开发了湿气发电和电化学电容储能一体化柔性器件,能够利用空气中水汽发电并同步将能量存储在器件内部,实现了大气环境中120小时超长湿气诱发电容储能,能够为多种电子元器件提供电能。研究内容包括: （1）通过控制水分在聚苯乙烯磺酸纤维内部的扩散方向,进一步认识了水分扩散-离子迁移行为对湿气发电的影响规律,发展了高性能纤维状湿气发电器件。通过引入氢离子荧光指示剂,原位追踪了器件内部氢离子的分布和扩散过程,进一步理解了氢离子的分布和扩散对湿气发电性能的影响规律;进而优化湿气条件和纤维尺寸,使湿气发电器件内部离子浓度梯度达到最大值,能够产生高达1.25 V的稳定电压;通过激光加工和3D打印实现了聚苯乙烯磺酸纤维湿气发电器件的大规模集成。 （2）发展了新型的空间交错石墨烯超级电容器,其内部石墨烯微电极在三维空间内逐层反向堆叠,实现了单位面积高能量密度和机械柔性的结合。通过正/负微电极空间交错设计,使单个微电极在空间上正对四个带相反电荷的微电极,微电极之间较小的空间距离,确保了离子在器件内部的快速传输;基于此,该器件的容量能够随着器件厚度的增加而线性增加;同时空间交错的石墨烯微电极赋予了器件优异的机械柔性,在反复弯折并循环充放电测试104次之后,超级电容器的容量保持率高达96.3%。 （3）利用激光加工和丝网印刷相结合方法,开发了叠层结构湿气发电和能量存储一体化器件。通过结合异质聚电解质膜湿气发电器件和石墨烯超级电容器,一体化器件可以吸收水汽产生电能并进行存储,实现了自发能量的产生和超长时间电化学能量存储功能。由于能够持续从空气中吸收水汽发电,该一体化能源器件电压保持时间达120小时,容量和功率密度分别达到了138.27 mF cm-2和49.38 μW cm-2;同时,该器件具有良好的机械柔性,弯曲/平铺状态下可以驱动电子手表、温湿度计、计算器等电子器件工作。

关键词： 平面微型超级电容器   电化学性能   碳纳米管   石墨烯   光刻  

摘要： 微型化电子产品的迅速发展迫切需要高性能的微纳能源存储器件。在该领域中,平面微型超级电容器(PMSs)具有巨大的潜力,它可以取代电池或电解电容器,便捷地与其他电子元件集成到芯片上,为电子设备供能或提供峰值功率。PMSs的电极材料是决定其电化学性能的重要因素。在众多电极材料中,石墨烯因其具有优异的电导率和比表面积脱颖而出,成为PMSs电极材料的研究重点。石墨烯量子点(GQDs)比石墨烯有更大的比表面积和更多的表面活性位点,近年来也被广泛研究。虽然石墨烯与GQDs具有大的理论比表面积,可以为电荷存储提供较大的空间,但在实际制备过程中,两种材料常常会由于范德华力的作用产生聚集和堆积。将碳纳米管(CNTs)作为插层剂、导电添加剂、粘合剂加入到石墨烯和GQDs中是改善这一问题的绝佳选择。CNTs的含量是影响改善程度的关键,即CNTs加入两种材料中的多少直接影响了PMSs的性能。通过分析和初步实验探索,本论文制定了PMSs的研究方案。首先将CNTs加入到氧化石墨烯(GO)中,以不同的质量比制备出PMSs,探究CNTs的含量对器件性能影响,探究GO和CNTs的最佳质量配比。其次,将CNTs加入到GQDs中,以不同质量比制备出PMSs,探究CNTs含量对器件性能影响,探究GQDs和CNTs的最佳质量配比。然后,在同一质量配比下,比较多壁碳纳米管(MWCNTs)和单壁碳纳米管(SWCNTs)对两种材料的改善效果,探究CNTs直径对器件性能的影响。结果表明,所制备的四种复合电极器件均在基体材料和CNTs质量比为8:1时综合性能最佳,SWCNTs对石墨烯片层聚集问题的改善作用强于MWCNTs。在所制备器件中,质量比为8:1的GO和SWCNTs器件的电化学性能最优,其面电容为1.13 m F cm,能量密度为0.26Wh cm,功率密度为1.76 k W cm,弛豫时间常数为3.16μs,经过10000次循环充放电后电容保持率高达97.6%。本论文为进一步研究基于CNTs和石墨烯复合PMSs提供了重要参考。

关键词： 石墨烯   等离激元   光电探测器   红外探测  

摘要： 通过光电探测器,人类可以将可见光转换为更精确电信号,从而拓展出紫外、红外和太赫兹波段的研究领域。表面等离激元效应可以显著提升光电探测器的光吸收从而提升光电转化能力,近年来备受国内外研究人员的关注。石墨烯作为二维材料的代表具有类金属的性质,也可以激发等离激元,且与其他能激发等离激元的金属材料相比,石墨烯的表面等离激元能更显著地增强光吸收,促进自身光电转化的能力,加上石墨烯超快的载流子输运特性,获得高响应、高灵敏、宽光谱的石墨烯光电探测器已成为国际研究热点之一。当前基于石墨烯等离激元效应的光电器件在红外波段光吸收普遍偏低、响应度不高,针对现有器件的光电转化特性不易通过计算仿真获得,石墨烯图形化微纳结构难以制备等难点问题,本文利用时域有限差,光学、电学仿真软件交互等方法在器件结构设计以及光、电学特性调控等方面展开了较系统的仿真研究,采用人工构造的微纳结构高效激发石墨烯等离激元效应,从理论上探索了基于微纳结构的石墨烯等离激元共振效应在近红外、远红外波段实现高灵敏,超快响应以及宽光谱探测的可行性,并初步实现了基于石墨烯等离激元效应的原型光电器件可控制备。首先针对在红外波段光吸收低的问题,本文设计了一种基于金属周期性微纳结构来激发石墨烯等离激元的器件。通过时域有限差、光学及电学仿真交互的方法计算表明,利用金（Au）周期性十字阵列可以有效激发特定化学势下石墨烯的等离激元效应。该器件在近红外波段（1270～2080 nm）的最大光吸收超过60%,响应度可达911.3 A/W,比探测率达到1.4×1010Jones,并且探测波段可随结构参数的改变相应调控。其次,针对石墨烯图形化微纳结构难以制备、易造成机械损伤的问题,本文提出采用一种基于周期性微纳结构的铁电畴实现石墨烯载流子分布图形化从而激发石墨烯等离激元的方法,该方法通过铁电畴几何特征图形、尺寸以及极化场强度等特性对石墨烯进行局域电场注入形成具有梯度电势差的微纳超结构,避免了微纳加工工艺对石墨烯晶格的破坏。仿真结果表明,该结构在太赫兹波段（33.9～62.8μm）的最大光吸收为28.1%。该器件具有2273 A/W的响应度和1.04×1011Jones的比探测率并可通过改变结构参数和石墨烯化学势相应调控。以上结果表明,通过不同方式激发石墨烯等离激元可以实现不同红外波段的高响应,对未来石墨烯在红外探测领域的应用具有重要的研究价值和发展前景。