关键词： 并五苯单晶   PTCDA单晶   石墨烯   异质结   光电探测器  

摘要： 有机材料表现出的强光子吸收和可低温、大规模制备等特点,对于下一代光电子器件的发展尤为重要,可以将其应用于柔性传感器、无线健康监测和高速成像等领域。目前针对快速响应兼具高响应度的光电探测器的研究依然面临巨大的挑战,响应时间和响应度相互制约,很难实现二者性能的同步提高。这是由于有机材料固有的局限性导致的,其中包括较低的载流子迁移率、较高的激子结合能和无序的分子排列等特征,如何提高器件响应度和响应速度是迫切需要解决的难题。基于此,本论文主要开展了以下方面的研究内容:1.将高质量的并五苯单晶与单层石墨烯耦合构筑异质结,可实现超快、高灵敏度的宽带光电探测器。研究结果表明,在没有任何外部辅助技术的条件下,器件-3 d B的带宽为26 k Hz,这是当前有机光敏晶体管器件的最优值。由于并五苯晶体的强光吸收、较长的激子扩散长度和高效的界面电荷转移,异质结光电探测器表现出大于10～5A/W的高响应度以及大于10Jones的比探测率。除此之外,通过调整器件结构可以在零偏置电压下实现自供电弱光检测功能。实验结果表明,在0.75μW/cm的弱光强度下,探测器依旧可以表现出明显的零偏压光响应。并五苯单晶/石墨烯光电探测器为构建高性能自供电有机异质结光电探测器提供了一种实用的有效策略,在无线、弱光检测和视频帧速率成像应用中具有很强的适用性。2.石墨烯的吸光能力较弱,有机晶体与石墨烯耦合制备的光电探测器,其探测波段主要取决于有机晶体的吸收。为了打破响应波段的限制,科研人员发现可以通过P型材料和N型材料的层间跃迁拓展器件的响应波长。当前,大多数的研究集中在有机-无机材料体系中的层间跃迁,而对基于全有机耦合材料体系的层间跃迁光电探测器探索较少。我们利用并五苯单晶和PTCDA有机单晶相互耦合,制备了全有机异质结的光电探测器。实验结果表明,将有机并五苯单晶与有机PTCDA单晶耦合器件电学性能呈现反双极型场效应晶体管特性对光子的响应光谱可以拓展到红外波段,响应速度达到10 ms。

关键词： 多场协同辅助组装   层层组装   高有序氧化石墨烯膜   高有序石墨烯膜   导热性能  

摘要： 5G技术与人工智能的高速发展,致使电子元器件的功耗越来越高,对导热材料性能及其导热能力也提出了更高的要求。石墨烯具有超高的理论热导率,由其构成的膜材料在热管理领域具有重要的应用价值,其微观组装结构对导热性能具有显著影响。高有序氧化石墨烯(GO)膜是制备高品质石墨烯膜的重要前提。现有技术难以在成膜过程中对GO片层堆叠实现有效调控,无法获得高有序GO膜。此外,如何制备高品质的厚石墨烯膜,一直是相关研究的难点。针对上述问题,本文提出了一种多场协同辅助的组装方法、研制出了大面积成膜装备,制成了高有序GO膜,同时对组装方法的普适性、组装原理、薄膜结构进行了深入研究;基于高有序GO膜,实现了高有序石墨烯膜的可控制备,并系统研究了热还原过程中的结构演变、结构与性能关系;此外,也开展了超厚石墨烯膜的制备技术研究。主要研究结果如下:1.提出了多场协同辅助组装原理,发明了大面积组装成膜装备,该技术具有成膜面积大、组装精度高、方法普适性强等优点。该方法利用了重力、界面剪切力、温度梯度,结合了提拉组装品质高的技术特点,通过层层卷绕的提拉组装方式,实现大面积、高品质地可控成膜;研制的组装装备能够实现最大1m×2 m的可控组装;该方法对GO、MXene、氮化硼纳米片(BNNS)、单壁碳纳米管(SWCNT)等分散液均能实现高品质的组装成膜。2.采用多场协同辅助组装技术,实现了大面积GO薄膜的高有序组装,相对于其他方法的组装膜,本方法组装膜具有厚度可调控、平整、微观取向度高等特征,具有密度大、模量高、脆性强等特性。在层层组装过程中,平均单层厚度可在几纳米到数百纳米之间调控,最小可实现低于2 nm的单层厚度;薄膜密度最高可达2.1 gcm-3、抗拉强度达220.7MPa、模量达50.8GPa,WAXS分析结果表明薄膜取向度显著优于其他组装方法;且实现了 1 m × 2m的高有序GO膜制备。3.基于上述的高有序GO膜,开发了低速升温真空热压碳化和高温石墨化的热还原方法,实现了高有序石墨烯膜的可控制备。HRTEM结果显示,石墨烯膜内呈现大面积的有序晶格结构;厚度为10 μm与110 μm的高有序石墨烯膜,其面内热导率分别达到1803 W m-1 K-1与1358 W m-1 K-1;薄膜同时具有较高的垂直面内热导率(5～15 Wm-1 K-1),电导率可达1.2 × 106Sm-1,力学强度达210.4 MPa、模量13.6 GPa,综合性能优于商业化热解石墨膜和大部分文献报道的石墨烯导热膜;此外,经可控膨胀处理后的石墨烯膜在8.2～12.4GHz波段的电磁屏蔽效能高达111.4 dB(厚度222μm)。4.采用离心浇铸组装法,实现了大厚度GO膜的可控组装与厚石墨烯膜的制备。基于大厚度GO膜前驱体,经真空热压碳化、高温石墨化和冷压处理,制备出了厚石墨烯膜;真空热压工艺对控制石墨烯膜膨胀、后续取向具有重要作用;这种方法制备的石墨烯膜在20μm时的热导率为1565 W m-1K-1,在100 μm时的热导率为1265W m-1 K-1。此外,还探索研究了 GO片层在CNT纤维表面的连续提拉组装。

关键词： 激光直写   MXene/复合硅橡胶   可拉伸摩擦纳米发电机   自供电传感   能量收集  

摘要： 摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerators,TENGs）可将周围各种机械能转化为电能和信号,广泛应用于可持续能源收集与自供电传感。然而,大多数TENG仍采用传统金属电极材料制备致使器件无法实现拉伸,并存在输出性能低、制备复杂等难题。基于以上问题,本文采用激光直写技术,耦合预拉伸策略,设计制备了基于多孔过渡金属碳化物纳米片（MXene）-激光诱导石墨烯（Laser Induced Graphene,LIG）泡沫复合结构的具有制备简单、高输出性能且本质可拉伸特性的TENG,并展示了TENG在能量收集、自驱动传感以及自供电传感方面的应用潜力。具体研究内容如下: （1）可拉伸TENG的结构设计与制备:结合激光直写技术与预拉伸应变策略,在复合硅橡胶（Ecoflex-PDMS）基底上构建了高导电性、可拉伸的Ag NWs/LIG复合电极;依据MXene材料高导电性、大比表面积、高摩擦负电性的特性,在复合硅橡胶溶液中掺杂MXene溶液构建了具有多孔结构的高性能负摩擦电层;以常见的织物作为可移动正摩擦电层,设计制备了三维多层结构的单电极TENG。 （2）可拉伸TENG最佳制备参数分析优化:分析不同电极材料、MXene溶液浓度、织物材料等制备参数对于TENG输出性能的影响规律,确定预拉伸30%制备的Ag NWs/LIG材料,掺杂MXene溶液浓度为5 mg/ml的MXene/复合硅橡胶材料,廉价且自带表面微结构的尼龙织物为最优材料。 （3）TENG的电学与力学性能分析:分析不同负载阻抗、负载力和负载频率下TENG的输出性能,确定了最优工作条件。在10 Hz,15 N最优工作条件下,单电极TENG输出电压、输出电流和功率密度分别为73.6 V、7.75μA和2.76 W/m2。 （4）可拉伸TENG自驱动传感与能量收集应用:基于TENG的本质可拉伸性构建了自驱动柔性应变传感器,可用于监测微小应变（呼吸）以及大应变（关节弯曲）等人体活动信号并应用于人体力量训练监测。将柔性可拉伸TENG贴附在室内植物上叶片上,集成微控制单元和数模转换模块,构建了报警系统,实现了家庭防盗的应用。此外,柔性可拉伸TENG还具有收集不规则能量的能力,可用于收集水滴能量,集成能量收集单元和报警模块,构建了预警系统,实现了水资源预警的应用。 （5）自供电传感一体化系统集成设计:在TENG的基础上,集成商用电容、实验室自行研发的湿度传感器,构建了供能和传感一体化的系统。为弥补商用电容快速放电的缺点,增强了电容的滤波作用,设计开发稳压电路,提升了输出电压的稳定性。 本研究对于构建高输出性能且本质可拉伸的TENG提出了新的途径,对于柔性供能和传感具有重要的理论与实际应用意义。

关键词： 等离子体光镊   石墨烯   表面等离激元   超表面   数值模拟  

摘要： 表面等离激元是一种存在于金属和介质界面,自由电子和光子相互作用的特殊电磁现象。表面等离激元可以有效地突破衍射极限的限制,在近场区域实现极大的电场增强。基于等离激元共振的光镊系统相比于传统的光镊系统,具有光学力强、捕获范围广、精度高等诸多优势。石墨烯是一种六方晶格排列碳原子单层排列的零带隙二维材料,其具有动态可调的光学特性,在等离子体光镊具领域有具有重要的研究意义。本文对石墨烯调制的等离子体光镊系统进行了多方面的研究,该研究可以应用于生物医学、纳米组装、增强拉曼传感等领域。本文主要研究了石墨烯调控的等离子体光镊与纳米粒子操控技术。首先,介绍了光镊的研究背景,分析了近场光镊的研究进展,探索了近场光镊的应用和分类,对国内外的研究进展和代表性成果进行了梳理,提出了本文的创新点。然后,研究了表面等离激元的原理和光镊的基本原理,分析了等离子体光镊调控理论与石墨烯材料的特性,介绍了光学力的计算方法,对本文采用的两种数值研究方法;有限元算法(FEM)和时域有限差分算法(FDTD)数值模拟方法进行了探讨。最后,设计了三种基于石墨烯材料的等离子体光镊器件,分别为集成二维等离子体光镊、纳米手性粒子分离微流腔、可重构反射式聚焦超表面光镊,具体研究内容如下:1、设计了一种集成多功能石墨烯圆盘二维等离子体光镊,其结构由石墨烯圆盘阵列和衬底电路组成。通过衬底电路可以施加偏置电压以独立地配置石墨烯圆盘的费米能级,进而控制局域等离子体共振激发的位置,动态地将纳米粒子传输到二维平面中的任意位置。该器件具有集成化、多功能的特点,可独立地应用于捕获、运输、分类和融合纳米粒子。2、设计了一种石墨烯条带手性粒子分离微流腔。手性圆偏振光激发的表面等离激元共振也具有手性特征,在入射光的激励下,石墨烯条带结构周围的等离激元共振可以增强手性电磁场的强度,在石墨烯条带表面形成极强的电场共振增强,极大地增强了纳米手性粒子受到的手性光学力。仿真结果表明该研究可以有效地分离对映异构体纳米粒子。3、设计了一种用于操控粒子的反射式聚焦石墨烯超表面光镊。其结构由一维周期性排列的石墨烯条带组成,通过控制石墨烯的费米能级,就能对反射的电磁波造成不同的相位延迟。根据平面聚焦透镜计算公式动态地调控石墨烯的费米能级,就能自由地控制焦点的位置。数值研究表明,其可以通过控制焦点的位置实现对介质粒子的捕获和操控。

关键词： 贵金属催化剂   掺杂改性   界面效应   硝基加氢   苯甲醇氧化   石墨烯  

摘要： 化学合成绿色化、高端化、安全化是现代化学工业发展趋势。设计并创制新型催化剂，突破化学反应的催化合成，减少有害物质的排放及能源消耗，是实现化学过程“三化”的有效路径。碳载金属纳米材料由于其优异的催化活性、选择性和稳定性被广泛应用于多相催化领域。碳材料表面丰富的官能团、缺陷以及高度石墨化结构能够与金属形成金属-载体强相互作用和界面电子效应。通过调变表面基团种类，特别是含氧/含氮基团，可有效提高碳载金属复合催化材料的性能。然而，碳材料表面结构复杂，表面基团与金属的多界面协同效应、电子传递机理、金属粒子稳定机制等问题还有待深入探讨。本文旨在设计、合成氮/氧修饰的碳载金属纳米复合催化剂，研究金属-载体界面效应在提升催化加氢及氧化反应中的催化性能。采用原位杂元素掺杂法，以废打印纸衍生碳材料为载体制备了碳载钯复合催化剂并研究其C-O-Pd界面的强相互作用;利用金属-酚醛复合物衍生制备了碳包裹型金属催化剂材料并研究其C-N-M金属与载体界面之间的相互作用。应用DFT模拟辅助实验的方法对其碳-金属界面特性、催化反应机理和催化性能进行了系统的研究。主要研究工作如下：　　（1）废打印纸衍生碳材料构建C-O-Pd界面催化剂　　废打印纸主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，具有较高的碳含量，是一种理想碳源。本研究通过程序升温结合水蒸汽碳化法获得了富含醚键、酚羟基和羰基等表面基团的废打印纸衍生碳，比表面积可达2261m2·g-1;采用温度剪切手段对表面基团进行可控调变，制取了主要基团为羰基基团的碳材料PC-900。仅通过常规浸渍即可将Pd金属以单原子形式配位锚定于PC-900，极大提高了金属的原子利用率。密度泛函理论（DFT）模拟辅助He-TPD发现含氧基团在石墨烯表面的稳定性顺序为：羧基＜醚键＜酚羟基＜羰基，羰基嫁接sp2碳骨架更有利于促进电子传递。进一步结合XPS和XAS分别预测和验证了Pd原子与羰基的强相互作用关系，Pd原子与相邻两个羰基的桥式配位结构最稳定且电子传递能力最强，电子从Pd原子向羰基偏移，形成了Pd缺电子的稳定界面。PC-900上Pd的金属负载量等于/低于1wt%时，Pd呈现出单原子分散状态。　　（2）C-O-Pd界面的催化性能及其反应机理　　单原子Pd/PC-900催化剂最大限度的提高了金属原子利用率。以苯甲醇氧化和硝基加氢为探针反应考察具有C-O-Pd界面结构的单原子Pd/PC-900的催化性能。在苯甲醇氧化制备苯甲醛反应中，苯甲醇在羰基锚定单原子Pd上的吸附能强于苯甲醛，抑制了苯甲醛过氧化反应，这可能是Pd/PC-900催化剂具有高选择性的主要原因。在无溶剂环境下选择性可达99.2%。Pd/PC-900在苯甲醇氧化反应中，实验结合DFT模拟计算明确反应路径：苯甲醇还原Pd2+，氧气会再次将Pd0转变为Pd2+，与羰基配位稳定的Pd原子循环催化苯甲醇制备苯甲醛。　　在硝基加氢制备芳胺反应中，Pd/PC-900较常规Pd/AC-1具有更强的催化活性。在室温下，Pd/PC-900仅需40min便可将对硝基甲苯完全转化，而常规Pd/AC-1即使反应90min转化率也仅为82.6%。通过Pd/PC-900与Pd/AC-1的动力学实验比较，Pd/PC-900催化剂更适用于室温和底物浓度较高的反应环境。即使H2破坏C-O-Pd界面并导致金属粒子团聚，但是对于硝基加氢反应中仍具有良好的应用潜力。单原子C-O-Pd界面催化剂在苯甲醇氧化反应中，5次套用后仍为单原子;加氢反应中，Pd粒子长大，稳定为5nm。　　（3）C-N-M界面催化剂的设计、构建及应用　　氮具有丰富的电子结构，与碳原子的原子尺寸接近，易与碳骨架结合，与金属的配位能力强，设计C-N-M界面催化剂在氯代硝基苯中进行催化应用。St?ber衍生法将酚醛聚合、氨醛聚合和金属负载相结合，后续经过碳化制备M/SCS。酚醛聚合过程中所伴有的氨醛聚合反应促使碳球上的N元素均匀分布。通过胺根和金属离子的络合物有效抑制金属离子在水热过程被还原，促使金属离子吸附在聚合物球表层。通过TEM证明金属镶嵌在碳球表面，进一步结合TPR和耐酸性测试证明金属粒子表面具有碳层的保护。DFT模拟证明了碳包裹金属结构电子从金属向碳层转移，碳层上掺杂N原子使电子集中富集在N原子上。XPS证明金属粒子与碳层上的吡咯氮键合，DFT模拟辅助证明氮原子的电子向金属粒子偏移，成功构建了C-N-M界面。C-N-M界面催化剂在浓盐酸环境下具有极强稳定性，没有金属的流失。在氯代硝基苯加氢反应中，选择性＞99.9%，且套用5次没有失活现象。由于C-N-M界面催化剂的金属粒子被碳层包裹，催化反应在碳层上进行，通过DFT模拟证明氯代硝基苯加氢反应主要在碳层的N原子上反应。

关键词： 石墨烯   氧化石墨烯   暗棕壤   落叶松   土壤细菌群落多样性  

摘要： 随着纳米材料在各个领域的广泛应用,其将不可避免地越来越多释放到环境当中。石墨烯和氧化石墨烯作为碳纳米材料的基本结构单元与石墨烯复合材料的支撑载体,研究二者的生态效应,对于科学评价纳米材料的环境风险有着重要的意义。土壤是纳米材料最主要的汇,土壤细菌群落对外源物质进入造成的环境干扰反应敏感。目前对石墨烯纳米材料的生态效应研究,多集中在与人类日常生活紧密相关的果蔬和农田场地中,对自然生境的研究较少。本研究通过室内盆栽实验,以暗棕壤为基底栽种长白落叶松幼苗,系统研究了根际暗棕壤细菌群落、暗棕壤养分含量和土壤酶活性,以及长白落叶松幼苗生长生理指标,在不同浓度石墨烯和氧化石墨烯胁迫下的响应特征,综合评价石墨烯和氧化石墨烯对我国东北地区典型生境的生态环境效应。主要研究结果如下:(1)暗棕壤细菌群落对石墨烯和氧化石墨烯的添加响应敏感,群落的Alpha和Beta多样性、组成和功能都发生显著变化,变化特征因处理浓度而异。添加石墨烯和氧化石墨烯后,Alpha多样性分析表明,群落的丰富度都显著增加,但不同浓度处理增加幅度不同,特定浓度的石墨烯(15.15和75.76 mg/kg)和氧化石墨烯(30.30 mg/kg)会使群落多样性降低。Beta多样性分析表明,群落的结构发生明显改变,且随浓度不同而变化不同。群落组成分析表明,细菌的种类和相对丰度发生改变,但在门分类水平上,变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)等六类菌门都是石墨烯和氧化石墨烯添加后的优势菌群,且变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)都占主导地位,其余四类菌门的平均相对丰度大小排序,两种材料处理之间有不同之处。群落功能潜能预测表明,石墨烯和氧化石墨烯处理后菌群代谢功能强度大都增强或无显著变化,只有75.76 mg/kg氧化石墨烯处理后菌群代谢功能强度减弱。(2)暗棕壤化学性质和酶活性在石墨烯和氧化石墨烯添加后发生变化,因处理浓度而异。关于化学性质,添加石墨烯和氧化石墨烯后,都使p H值显著降低、有机质降低(30.30 mg/kg氧化石墨烯除外)、有效磷增加(15.15 mg/kg石墨烯除外)、速效钾降低,特定浓度处理与对照组有显著差异。随着石墨烯和氧化石墨烯浓度的增加,二者影响暗棕壤有效磷含量的变化趋势一致,对于有机质和速效钾,二者的差异主要表现在高浓度处理(75.76和151.52 mg/kg)上。关于酶活性,添加石墨烯和氧化石墨烯后,都使酸性磷酸酶活性降低,对脱氢酶无显著影响,但对过氧化氢酶和脲酶的影响则不同。随着石墨烯和氧化石墨烯浓度的增加,土壤酶活性的变化趋势无明显规律。Pearson相关性分析表明,暗棕壤性质和细菌群落的一些变量之间存在显著相关性,但p H值与疣微菌门(Verrucomicrobia)、酸性磷酸酶活性与绿弯菌门(Chloroflexi)的相关性,在石墨烯和氧化石墨烯处理中有完全相反的结果。冗余分析表明,p H值、有机质和碱解氮都是解释土壤细菌群落差异的关键性因子,但在重要性排序上,石墨烯和氧化石墨烯处理有不同之处。(3)长白落叶松幼苗生长生理指标在石墨烯和氧化石墨烯添加后发生变化,因处理浓度而异。添加石墨烯和氧化石墨烯后,幼苗的存活率都会显著降低,随着石墨烯浓度的增加,幼苗的存活率显著下降,但随着氧化石墨烯浓度的增加,幼苗的存活率则显著上升。幼苗的根、茎干重(151.52 mg/kg氧化石墨烯除外)都会降低,但特定浓度的石墨烯和氧化石墨烯处理会使叶干重增加,随着石墨烯浓度的增加,幼苗的根、茎、叶干重都呈下降趋势,但随着氧化石墨烯浓度的增加,幼苗的茎、叶干重呈上升趋势。幼苗的根长、根表面积都受到胁迫,石墨烯还会抑制幼苗的根体积,但氧化石墨烯会一定程度上促进根平均直径的增大。幼苗叶片超氧阴离子含量、类胡萝卜素和叶绿素含量都无显著变化,但特定浓度石墨烯(151.52 mg/kg)会使叶片丙二醛含量增加,随着浓度的增加,石墨烯和氧化石墨烯在类胡萝卜素和叶绿素含量的变化方面存在完全相反的趋势。

关键词： 石墨烯等离激元   模式激发   耦合模理论   严格耦合波理论   相消干涉  

摘要： 近年来,随着现代光学技术的飞速发展,人们对半导体器件的需求逐渐转向超微化和集约化方向。然而传统硅基电子芯片在尺寸和性能上都逼近极限,这严重限制了半导体器件的发展。石墨烯等离激元因其在亚波长范围内具有较强的光场约束、低本征损耗以及实时调谐等优点,为光子替代电子实现信息传递提供有力支撑,并引领着集成光子学的蓬勃发展。本文采用仿真分析方法(时域有限差分方法和有限元法)结合(耦合模理论、传输矩阵理论、严格耦合波理论)理论计算手段,探究了石墨烯等离激元的光学特性和共振激发机理,并通过巧妙地设计微纳结构,有目的有选择地给出了其在吸收、传感、慢光和光电调制等光学器件领域中的应用。本文内容主要包括以下几个方面:一、分析并提出了用石墨烯纳米条光栅全介质系统实现等离激元多阶模式的共振与激发。利用有限元方法和严格耦合波理论系统的研究了单层石墨烯纳米条等离子体共振的传输特性。通过调整衬底厚度能够产生准光学暗态,从而实现中红外波段高品质共振效应的激发。此外,系统研究了多阶模式对结构周期和费米能级的依赖性,预测并成功验证了:石墨烯局域表面等离子体的共振位置正比于结构周期,反比于费米能级。论证通过调整几何参数和光入射角度实现基于石墨烯等离激元的多通道高品质因子光学模式。这为多波段、高性能吸收器的设计提供了新的思路和途径。二、考虑单一模式共振无法满足光学器件实际工作需求的问题,构建了一种结构简单且易实施的石墨烯堆叠结构,用以实现石墨烯等离激元多模式的共振与激发。采用时域有限差分法分析了该结构的频谱响应特性,得到了由四种辐射模式之间相消干涉引起的3PIT现象,推导了具有一般普适性的多模式共振CMT耦合理论体系,并给出了模式耦合振幅方程和模式耦合透反射率的相应计算公式。论证通过改变石墨烯的费米能级和载流子迁移率来实现对等离激元的动态调控。最后,探讨了石墨烯堆叠结构用于太赫兹波段等离子体传感器的可行性。这为基于二维超材料等离子体光学传感器的设计提供了潜在参考应用。三、针对石墨烯类金属的特点,提出了一种石墨烯-塔姆混合系统物理模型,用以实现基于石墨烯材料不同光学模式的共振激发:能够将能量局域在石墨烯纳米条附近的石墨烯表面等离子体激元,以及将能量局域在石墨烯片中的石墨烯塔姆等离子体激元。采用严格耦合波理论计算了该系统的吸收光谱响应,其理论计算值与仿真数值基本吻合。利用耦合谐振子模型精细刻画了基于石墨烯材料不同光学模式之间的杂化耦合过程。论证通过改变结构的几何参数、石墨烯材料的费米能级、以及光入射角实现对混合光学模式的灵活操纵。此外,该系统具有良好的慢光响应,这为慢光设备地设计与实现提供了解决方案。四、基于前文研究成果的梳理,研究了石墨烯等离激元与其他光学模式的共振激发。构建了一种石墨烯-金属有损系统,表现出导模-石墨烯等离子体激元的强耦合现象。利用有限元方法和RCWA理论计算手段研究了两种光学模式之间的杂化耦合特性和共振传输特性。论证通过引入光入射角能够打破系统的对称性,BIC逐渐演变成为一个可观察到的具有高品质共振模式的准BIC。通过精确刻画两个准BIC共振态与共振品质因子Q的关系,揭示了石墨烯二维材料中BIC共振态的共振特性。根据导模共振与石墨烯等离子体激元共振特点,构建了有损系统能带结构和品质因子Q的数值计算方法,其计算结果与仿真结果趋势吻合。最后,通过改变石墨烯材料的载流子迁移率,可实现高效率开关调制效应。这有助于打开“多类型光学模式共振激发”暗箱,推进基于石墨烯的各种等离子体器件的设计工作。图51幅,表1个,参考文献209篇

关键词： 小分子气体   吸附   石墨烯   铁掺杂   密度泛函理论  

摘要： 目前,甲醛、一氧化碳、二氧化碳等小分子气体对于大气环境的影响越来越受到人们的重视。有效处理这些小分子气体的前提首先是对它们进行检测,而检测技术的核心是寻求高效的气体检测材料。石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维纳米材料,表面积极大,且含有许多未饱和的碳原子,具有优异的力学、电学、热学和光学性能,其在气体分子的吸附、催化、检测领域均有着广阔的应用前景。另一方面,通过合理的元素掺杂,石墨烯对于小气体分子的吸附能力可以得到进一步的加强,进而提升其在气体分子吸附及分子检测领域应用的潜力。 基于第一性原理的密度泛函理论是一种基于量子力学的计算方法,可以用于准确预测原子和分子在特定条件下的性质和行为。本文利用维也纳从头算模拟软件包VASP研究了铁掺杂石墨烯对甲醛、二氧化碳和一氧化碳这三种气体分子的吸附性能。首先,构建了不同的初始吸附模型,随后对其计算优化并得到了稳定的吸附结构,并研究了铁掺杂对石墨烯结构稳定性的影响;其次,研究了三种小气体分子在铁掺杂石墨烯表面不同位置的吸附结构特性和能量特性;最后,通过计算铁掺杂石墨烯的结构、吸附能、态密度和吸收光谱等理论参数,分析了铁掺杂石墨烯结构的电子特性和吸附行为,并探讨了使用铁掺杂石墨烯对三种小气体分子准确检测的可能性。 结果表明,铁掺杂石墨烯可有效改善其吸附甲醛、一氧化碳、二氧化碳分子的能力。铁掺杂的形成能为6.6 e V,铁原子失去0.85 e V的电子,掺杂部分的键长从1.4(?)提升到1.7(?),说明铁掺杂石墨烯是可行的。掺杂后,铁原子成为吸附过程中的活性中心,吸附键长显著降低,吸附能减少,电子转移幅度增强。通过引入新的杂质能级,在吸附结构的费米能级附近形成新的局域化态,增强了其与气体分子间的相互作用。同时,铁掺杂也导致了石墨烯出现带隙缩小的现象,表现出新的特性。与吸附前相比,铁掺杂石墨烯吸附三种气体分子后,其理论吸收光谱在不同峰值处发生程度不尽相同的红移和蓝移,表明了其在气体检测领域的应用潜力。总之,本文的研究结果表明,理论上,铁掺杂石墨烯可有效吸附甲醛、一氧化碳、二氧化碳等小气体分子,其在气体分子的催化、吸附、检测领域具有广阔的应用前景。

关键词： 粘着力   石墨烯   接触模型   相对湿度   停留时间  

摘要： 石墨烯是一种典型的二维材料,由于其具有优异的光电、机械等特性,在集成电路元器件、微机电系统、微电子、纳米电气系统和传感器等领域具有广泛的应用前景。这些微纳器件存在不同的接触方式,例如:浸笔式纳米光刻技术中,锥-平面接触是最典型的接触类型;在微机电系统的接触开关或者压力传感器中,球-平面是最常见的接触类型;在微加速器,微陀螺仪和射频开关中存在大量的圆柱-平面接触。由于这些器件都在微纳尺度,接触区域的粘着力会对这些微纳器件的可靠性产生重大的影响。目前,传统接触理论的预测结果与实验结果存在较大偏差,且很难解释接触的停留时间和环境相对湿度对石墨烯粘着力的影响。因此,有必要建立不同几何接触的粘着力理论模型,系统研究不同几何接触下相对湿度和停留时间对石墨烯粘着力的影响规律。理论研究方面,为了揭示相对湿度和停留时间对单层和多层石墨烯粘着力影响的内在机理,本文分析了锥-平面、球-平面及圆柱-平面三种几何接触下弯月面的变化过程。基于接触角会随停留时间不断变化的实验现象,提出了与相对湿度及时间参数有关的粘着力数学模型。首先,建立了与相对湿度和停留时间相关的锥-平面接触下的粘着力理论模型。然后,由于球-平面接触下的接触面积比锥-平面接触下大,必须考虑粗糙度对粘着力的影响,因此基于可变接触角和Bradley接触模型,提出了与表面粗糙度和相对湿度相关的粘着力修正变量,建立了的球-平面单峰接触下粘着力理论模型。此外,因为圆柱形探针与石墨烯表面接触可能存在多个粗糙度接触峰,所以将圆柱接触面积等效成多个纳米级圆柱体,得到了圆柱-平面等效多峰接触下粘着力理论模型。最后,利用所建立的理论模型,对粘着力变化规律进行了预测分析,理论研究结果表明:锥-平面接触下粘着力与相对湿度、半锥角呈正相关关系;球-平面单峰接触下粘着力与球形探针半径呈正相关关系;圆柱-平面等效多峰接触下粘着力与样件表面粗糙度半径呈负相关关系。实验研究方面,分别使用锥形、球形及圆柱形AFM探针研究了单层和多层石墨烯粘着力对停留时间和相对湿度的关系。实验测量的结果与理论计算结果基本一致,误差均小于6%。结果表明:在锥-平面接触下,当相对湿度为45%时,粘着力的时间依赖性都不明显。停留时间在0-10 s内变化时,相对湿度为55%和65%时,粘着力随停留时间先增加后减小。相对湿度为75%和85%时,粘着力随停留时间增加而增大。在球-平面接触下,当相对湿度大于65%时,石墨烯表面粘着力随停留时间先增加后减少,最后趋于稳定。球的半径越小,石墨烯的粘着力越小。在圆柱-平面接触下,相对湿度为65%时,存在最大粘着力。多层石墨烯粘着力的时间依赖性与单层石墨烯类似,在相对湿度为55-75%时表现明显。多层石墨烯的粘着力数值比单层更大,且峰值出现在较低的相对湿度。在低相对湿度下,AFM尖端和石墨烯表面之间不能形成弯月面。随着相对湿度的增加,毛细凝结效应增加,弯月面逐渐形成。首先,随着弯月面逐渐增大时,锥、球及圆柱表面的可变接触角逐渐减小至零,粘着力逐渐增大。增大相对湿度,粘着力峰值出现的时间将缩短。然后,随着停留时间的增加,水膜厚度增大,基底表面的可变接触角逐渐增大,粘着力降低。之后,弯月面将达到平衡状态,粘着力趋于稳定。相比单层石墨烯,多层石墨烯更亲水,因此粘着力也更大。不同接触类型下,弯月面的形态不同,因此可变接触角变化快慢不同。此外,在球-平面接触及圆柱-平面接触下,需要考虑粗糙度对粘着力测量的影响。结果表明:可变接触角的变化及粗糙度是导致粘着力随相对湿度及停留时间变化的主要原因。