关键词： WO3   导向剂   rGO   水热法   丙酮   气敏特性  

摘要： 丙酮是实验室和工业中广泛使用的化学试剂,吸入过量后会引起头痛、疲劳、麻醉。此外,在人体呼吸中的数百种挥发性有机化合物中,丙酮也是用来检测糖尿病的标志物,因此检测丙酮气体传感器的开发变得格外重要。近年来,WO、Zn O、Sn O、InO、Ti O等n型半导体金属氧化物是研究丙酮气体传感器的主要研究对象,在所有的金属氧化物中,WO是被研究最多的材料,因为它对丙酮气体的反应最灵敏,但是WO还存在工作温度高,响应恢复时间慢,响应值低等问题。研究人员通过添加导向剂、石墨烯改性等方法有效降低了工作温度,缩短响应恢复时间,提高了响应值。导向剂的添加使材料中的晶相发生了改变,使晶体沿特定生长方向和晶面生长,增加了氧空位的含量。石墨烯及其衍生物如GO、rGO等有着优秀的电学性质,与材料复合后形成的复合物表面的缺陷和氧空位增多,为气体提供更多吸附位点,优化提升器件的传感器性能。因此本论文研究了导向剂和石墨烯对六方WO的影响,优化了六方WO气体传感器的传感性能,提高了六方WO传感器对丙酮气体的响应值,降低了工作温度,缩短了响应和恢复的时间,研究内容如下: 1.利用水热法制备了六方WO,加入导向剂（乙酸铵和草酸）制备了海胆形状的六方WO,记为h-WO。通过XRD、XPS等表征方法研究不同配比导向剂对WO气敏特性的影响,确定了最佳配比导向剂（乙酸铵与草酸质量比为3:1）的h-WO-2,并将其作为纳米复合物的基础材料。结果表明h-WO-2比WO传感器对丙酮的响应提升了2倍,温度降低了30℃。解释了h-WO-2纳米材料对丙酮具有出色传感性能的原因是得益于纳米棒主要沿[110]轴方向生长,（002）优势面扩大,具有更丰富的氧空位含量和活性位点,以及六方相的晶内隧道结构,能与丙酮气体更好的反应,提升了传感器对丙酮的传感性能。 2.利用水热法制备了不同rGO含量（0.05 wt%、0.1 wt%、0.2 wt%）的rGO-WO纳米复合材料,分别记为rGO-WO-1、rGO-WO-2、rGO-WO-3。通过XRD、XPS、Raman等对其进行表征,结果表明不同rGO含量对rGO-WO复合材料的形貌和传感性能有显著的影响,其中rGO-WO-2对丙酮表现出非常优异的气敏性能,同h-WO-2相比,最佳工作温度降低了10℃,对丙酮气体的灵敏度提升了约1.5倍。解释了rGO-WO纳米复合材料对丙酮具有出色传感性能可能存在的两个原因:一是引入大量氧空位,有利于产生更多吸附氧。二是rGO具有N型半导体性质,与P型半导体WO在界面处形成P-N结的电子调制作用。 3.利用水热法制备了不同GCOOH含量（0.05 wt%、0.1 wt%、0.2 wt%）的GCOOH-WO纳米复合材料。使用XRD、XPS、Raman等对其进行表征,结果表明不同GCOOH含量对GCOOH-WO复合材料的形貌和传感性能产生了影响,同h-WO样品相比,对丙酮的灵敏度降低了。解释了影响GCOOH-WO纳米复合材料气敏性能的原因可能是石墨烯的分散性弱,难溶于溶剂,石墨烯表面几乎不含有缺陷和悬挂键,对气体分子的吸附能力在其单独作用时很弱,当与一般的待测气体发生反应时活跃度不够,缺少反应活性位点,容易堆叠。

关键词： 石墨烯   碳纳米管   锂金属   负极   三维结构   导电性  

摘要： 锂金属具有高理论比容量(3860 m Ah g-1)、低密度(0.534 g cm-3)和极低的还原电位（-3.040 V）等优点,是本世纪以来世界公认最适合作为负极的材料之一。但锂金属负极在循环中易形成锂枝晶,因此会导致库伦效率低、稳定性和可逆性差等问题。为抑制锂枝晶形成,本文利用碳纳米管（CNT）和石墨烯构建三维导电结构,通过调控还原程度制备出高导电、低缺陷的碳纳米管/石墨烯宏观薄膜（CNT@Gr GO）,作为插层引入锂金属负极,通过提高离子扩散率和电子传输率,实现均匀的锂沉积/剥离,使锂金属负极可以在应用中保持高库伦效率和高容量。（1）通过调控氧化石墨烯（GO）溶液浓度和CNT与GO的质量比,搭建一个三维结构的导电平台,不仅能够有效控制石墨烯复合薄膜的层间距、防止石墨烯片层团聚,还在纵向上增加了大量的活性接触位点,改善了石墨烯薄膜限于平面内的高电子迁移率,石墨烯复合薄膜的电导率提升至10～4 S cm-1。（2）通过调控石墨烯复合薄膜的还原程度,去除了CNT@GO的含氧官能团,修复了晶格缺陷,使石墨烯的晶面结构更完整,石墨化程度更高。通过对不同还原程度的石墨烯复合薄膜进行拉曼、FTIR等测试,发现石墨烯复合薄膜上保留的官能团数越少,C/O比越大,石墨烯复合薄膜电磁屏蔽性能（～55 d B）就越高。经高温石墨化后的CNT@Gr GO形成了更多的C=C键,因此复合薄膜的抗拉伸强度得到了提升（～20 MPa）。（3）Li/CNT@Gr GO在电池中表现出优异的稳定性,CNT@Gr GO亲电解液的特性可以使电解液迅速浸润电池组分,离子在电池中扩散的速度就更快,因此也表现出较低的离子传输阻抗和电子转移阻抗。同时,CNT@Gr GO的高导电性和较低的扩散势垒使锂在Li/CNT@Gr GO表面的形核势垒显著低于锂箔（Bare Li）,有利于Li+在负极表面活性物质间扩散,CNT@Gr GO高度石墨化、低缺陷的结构也有利于锂在Li/CNT@Gr GO表面均匀沉积/剥离,使Li/CNT@Gr GO在循环中始终保持较低的滞后电压（～20 m V）,即使改变电流密度也不会影响电池的稳定循环,表现出优异的倍率性能,在130圈循环中库伦效率均值为99.7%。

关键词： 石墨烯   Zeta电位   土壤胶体   养分吸收   植物生长  

摘要： 将纳米材料应用到农业种植领域已受到广泛关注,石墨烯作为重要的纳米材料之一,其表界面效应、小尺寸效应以及强吸附性在各应用领域具有重要作用。近年来,将石墨烯应用到农业领域受到广泛关注,主要以种子萌发、植物理化性质以及毒性等方面为研究热点。而土壤作为胶体,是养分的主要载体,如今土壤养分流失和利用率低已成为当今亟待解决的问题,石墨烯因其小尺寸效应、吸附性强以及比表面积大的特性,能够改善土壤持肥性能。本文将不同浓度的石墨烯添加至土壤中,研究土壤胶体的Zeta电位、土壤养分、土壤结构以及植物对养分的吸收,利用双电层理论和胶体稳定性分析石墨烯对土壤养分浓度变化影响。本文主要研究结果如下:1.用拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度仪对石墨烯的性质和结构进行表征,使用纳米材料及Zeta电位仪对添加了石墨烯的土壤胶体进行检测,浓度为50 mg/L的石墨烯土壤胶体Zeta电位值提高了16.59%。利用双电层理论及胶体稳定性理论分析石墨烯养分增效原理,结论为:石墨烯的π键与阴阳离子具有相互作用,强吸附性使得土壤中养分聚集在石墨烯附近,增大了土壤颗粒扩散层厚度,提高了局部胶体的离子浓度。2.在淋溶实验中石墨烯表现出优异的保肥性能,用浓度20 mg/L和50 mg/L石墨烯处理过的土柱,中上层中氮、磷、钾元素保留量比其他实验组多,在上层土壤G20组中氮元素提高47.6%,G50组磷元素提高19.89%。结果表明:石墨烯分散至土壤中能减少养分随水分的流失,将养分吸附在土壤上层,起到缓慢释放肥料作用。3.利用拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、激光粒度仪对淋溶结束后土壤中石墨烯分布、土壤形貌以及土壤微团聚体进行表征,结果表明:石墨烯能通过浇灌的方式分布在土壤的不同土层中。土壤的SEM图和能谱图表明石墨烯与周围土壤颗粒汇聚成小块状结构,促进了土壤块状结构的形成。石墨烯提高了土壤平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD),分别提高了30.7%和25.1%,说明石墨烯通过增强土壤微团聚体结构的形成从而提高抗侵蚀能力和土壤的保肥持肥能力。4.石墨烯用于辣椒和香葱的实际种植中,测量植物的形态变化,使用土壤肥料养分检测仪检测植物对养分的吸收量。结果表明:适宜浓度石墨烯(20 mg/L-50 mg/L)对辣椒株高提高了28.81%,根长提高了89.47%;香葱的株高提高了28.21%;植体内氮元素提高了79.28%和108.24%,磷元素提高了47.93%和50.90%,钾元素提高了9.19%和10.19%。辣椒的根系发育茂盛,根系表皮未见破损;根系内部未检测出石墨烯的累积。根据石墨烯增肥机理,设计一款适用于添加石墨烯的施肥机原理结构。

关键词： 氧化石墨烯   环氧树脂   复合涂层   功能化   耐腐蚀性能  

摘要： 环氧树脂（EP）具有较好的附着力、化学稳定性、耐磨性和绝缘性等优点,是最常用的有机涂层之一。然而,单一的环氧树脂涂层难以满足需求。原子级厚度的石墨烯具有优异的化学稳定性、热稳定性以及小分子不可渗透性,被认为是最具潜力的耐腐蚀材料。由于石墨烯纳米片既疏水又疏油,常采用具有亲水性的氧化石墨烯（GO）代替石墨烯,将其作为填料混入环氧树脂中以增强涂层的耐腐蚀性能。但是,GO在环氧树脂中的分散性较差,导致氧化石墨烯/环氧树脂复合涂层的耐腐蚀性能受到制约,实际应用也受限制。本论文采用有机小分子对GO进行改性,以提高其在环氧树脂中的分散性,提高涂层的抗腐蚀能力。主要研究内容如下: 1.采用水热法制备三乙醇胺（TEA）改性氧化石墨烯（GO）纳米片（TEA-GO）,将TEA-GO纳米片与环氧树脂混合均匀,得到三乙醇胺改性氧化石墨烯/环氧树脂复合涂层（TEA-GO-EP）。以3.5 wt%Na Cl溶液为腐蚀介质,采用电化学交流阻抗谱和塔菲尔极化曲线技术对复合涂层的耐腐蚀性能进行评估,探究了三乙醇胺与氧化石墨烯配比对复合涂层耐腐蚀性能的影响。当TEA的加入量为10 m L时,TEA10-GO-EP复合涂层的阻抗值（1.3×10～9Ωcm2）比单一环氧树脂涂层高六个数量级（8.7×10～3Ωcm2）,并结合等效电路模拟结果,揭示了复合涂层的耐腐蚀机制。 2.利用多巴胺的自共聚特性对氧化石墨烯进行改性,制得聚多巴胺修饰的纳米填料（PDA-GO）,将该填料与环氧树脂充分混合,得到聚多巴胺改性氧化石墨烯/环氧树脂复合涂层（PDA-GO-EP）。探究不同多巴胺和氧化石墨烯配比对复合涂层耐腐蚀性能的影响。电化学测试结果表明,相比于单一环氧树脂涂层,PDA-GO-EP复合涂层具有优异的防腐性能。这是由于PDA-GO与EP基体之间的强界面结合力以及PDA-GO增强的阻隔性能所致。 3.采用多巴胺对具有层状结构的二硫化钨和氧化石墨烯改性,制备具有三维多层结构的PW-GO纳米片层,并将该纳米片与环氧树脂混合得到聚多巴胺/二硫化钨协同改性氧化石墨烯/环氧树脂复合涂层（PW-GO-EP）。采用电化学方法,探究了二硫化钨和氧化石墨烯配比对复合涂层耐腐蚀性能的影响,优化二者最佳配比。耐腐蚀性能演变实验结果表明,在浸泡实验初期该涂层的阻抗值较高（1.17×10～9Ωcm2）;长期浸泡后阻抗值基本保持不变,相对于环氧树脂涂层,该涂层的耐腐蚀性能提升显著。最后,结合等效电路模拟等实验结果,阐明了PW-GO-EP复合涂层的耐腐蚀机理。

关键词： 新型碳基材料   过渡金属硫族化物   整流效应   气敏特性   第一性原理计算  

摘要： 20世纪以来,人类科技发展历史上有许多重大发现和发明,其中最著名的有现代信息技术基石—集成电路芯片,但摩尔定律的发展越来越缓慢,目前到了一种瓶颈期的状态。现有的微电子加工工艺即将接近于发展的极限,当传统的硅基芯片达到5nm以下后,会出现量子隧穿效应,且当工艺突破1nm之后,量子隧穿效应会导致“电子失控”,从而芯片失效。这种情况下,寻找替换芯片硅基底的材料,便成为芯片进一步发展的可行出路之一。新材料出现,可能会对摩尔定律发展现状有所改变,有望让摩尔定律迎来一个拐点。随着电子器件近年来微型化发展需求日趋明显,研究者们认为,类石墨烯纳米器件是最有可能解决电子器件微型化发展瓶颈的理想替代者。因此,设计研究类石墨烯纳米材料,实现小尺寸、高性能、低功耗纳米器件的应用成为关键挑战。基于上述现状,本论文主要以四-五-八边形石墨烯（tetra-penta-octagonal graphene简称TPO-graphene）、联苯环石墨烯（biphenylene network graphene简称BPN-graphene）和过渡金属硫族化物三种类石墨烯纳米材料为研究对象,从新材料的器件设计研究、结构优化与物性调控,到器件的相关功能性评估,开展了系统的研究工作:（1）边界钝化对锯齿型（zigzag-edged）四-五-八边形石墨烯纳米带器件电学性能的调控。TPO-ZGNRs在边缘用H、2H、O、OH和Cl钝化,生成TPO-ZGNRs-X（X=H、2H、O、OH和Cl）纳米结构模型。TPO-ZGNRs-H具有与纳米带宽度无关的金属性质,并以非磁性基态存在。虽然TPO-ZGNRs-OH和TPO-ZGNRs-Cl仍然是金属,但TPO-ZGNRs-2H和TPO-ZGNRs-O是半导体。此外,三种TPO-ZGNRs-X（X=H、OH和Cl）同质结器件模型的电流-电压曲线关系中呈现负微分电阻特性。值得注意的是,TPO-ZGNR在不同边缘区域被H和O原子钝化的异质结器件同时具有负微分电阻和整流特性。本研究有望促进新型碳材料的研究与利用。（2）通过在sp2杂化碳原子组成的联苯环石墨烯上吸附过渡金属Co、V、W、Zr来增强BPN石墨烯的表面活性,从而改善BPN石墨烯对H2S、SO2、SO2F2和SOF2气体的吸附性能,如其吸附能增大、电荷转移能力增强、金属性加强等。基于BPN-Co/V/W/Zr的纳米器件,并用密度泛函理论结合非平衡态格林函数方法揭示了其电子输运性质探究吸附H2S和SO2的气敏特性。研究BPN-Co/V/W/Zr的纳米器件在锯齿形和扶手椅方向上的电子传输各向异性。结果表明BPN-Co/V/W/Zr的气敏器件在扶手椅方向对H2S和SO2的气敏系数分别为0.92和0.54。因此,BPN石墨烯是一种新型多功能碳基纳米材料,通过吸附过渡金属Co、V、W、Zr来调节其电子、输运和气敏性质,在电子各向异性和气体传感器件中都有潜在的应用前景。（3）WS2/WSe2和WSe2/WTe2范德华异质结构可调的电子结构和光电特性。WS2/WSe2和WSe2/WTe2异质结的6种不同堆叠结构对其电学性能的影响非常小,可忽略不计。双轴应变能有效调控WS2/WSe2和WSe2/WTe2异质结的电子结构性质。WS2/WSe2和WSe2/WTe2异质结构为Ⅱ型带对准,适用于光电应用。此外,拉伸应变和压缩应变都能有效调节WS2/WSe2异质结构的光学性质,如光学吸收系数的峰值和范围。因此,研究了基于WS2/WSe2异质结的锯齿型和扶手型三种光电器件的光电特性,光电子在WS2/WSe2异质结的扶手型方向上的传输优于锯齿型方向。结果表明,WS2/WSe2和WSe2/WTe2异质结构可用来制作光电探测器,且应变能有效调节异质结构的电子和光学性质,在光电等领域具有潜在的应用前景。综上所述,本论文围绕以四-五-八边形石墨烯、联苯环石墨烯和过渡金属硫族化物为主的低维类石墨烯纳米材料展开功能性器件的设计及输运特性调控的研究,设计并研究了多种具有良好负微分电阻效应、整流效应、气敏特性以及光电特性的低维类石墨烯纳米材料功能性器件,有望在未来应用于电子、气敏以及光电领域,缓解材料界摩尔定律发展的瓶颈期问题。

关键词： 石墨/硬质合金复合涂层   强流脉冲电子束   石墨烯   金刚石   显微组织  

摘要： WC-Co硬质合金具有高强度、硬度和较好的耐磨性,被广泛应用于制备高硬度材料切削及耐磨涂层。针对热喷涂过程中碳化物分解失效以及进一步提升WC-Co涂层使用性能的需求,本研究提出添加石墨的方法,以改善热喷涂涂层氧化孔隙率不高的问题,并通过强流脉冲电子束(high current pulsed electron beam,HCPEB)对复合涂层进行改性,系统观察电子束改性前后石墨/硬质合金涂层组织性能的变化。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)系统观察了涂层表面显微组织特征与相结构,采用维氏硬度计和表面性能试验仪测试了涂层表面显微硬度和耐磨性,获得主要研究结果如下:(1)采用不同喷涂电流(500 A、550 A、600 A)沉积石墨/硬质合金复合涂层,当喷涂电流为600 A时,涂层表面摩擦系数为最小值0.18,平整致密,厚度约230μm;添加不同重量占比的石墨(2%-10%)制备复合涂层,当石墨占比6%时,涂层表面显微硬度最高,为660 HV,摩擦系数为0.09;采用不同球磨时间(4 h-20 h)进行机械球磨制成复合粉末,当球磨时间为16 h时,涂层表面硬度最大为480 HV,此时粉末可以形成核壳包覆结构。(2)采用等离子喷涂电流600 A,石墨重量比6%,球磨时间16 h进行石墨/硬质合金复合涂层制备,采用强流脉冲电子束对复合涂层进行辐照处理,辐照次数为1、10、20、30次。随辐照次数的增加,涂层表面重熔程度提高,表面更加平整致密,重熔层最大可达290μm左右。涂层表面主要由CoWC、WC、WC组成,硬度和耐磨性明显提升,局部区域显微硬度可达2000 HV以上。当辐照次数为20次时,涂层表面致密,摩擦系数为0.10。当辐照次数为30次时,涂层表面摩擦系数增加至0.21。(3)显微组织观察和拉曼光谱分析表明,电子束重熔石墨/硬质合金复合涂层表面生成了石墨烯和金刚石,多碳复合结构的存在使涂层显微硬度显著增加,石墨烯包覆在涂层表面,降低了涂层表面的摩擦系数。热力学计算证实了石墨转变为金刚石的可能。表面SEM观察到了石墨分层的现象,表面石墨在电子束热作用下分层分解为石墨烯结构,石墨烯进一步下电子束热机械作用下沉积在WC-Co涂层表面。

关键词： 石墨烯   有机污染物   分子团簇   吸附   理论计算  

摘要： 近几十年来,随着工农业的快速发展和药品及个人护理品(Pharmaceutical and personal care products,PPCPs)用量的提升,大量的有机污染物被排放到环境中,严重威胁着生态系统的平衡和人类的健康。吸附法由于操作简单、成本低廉和没有副产物等优点而被广泛的应用于有机污染物的去除。石墨烯和功能化石墨烯由于稳定的结构、高比表面积、丰富的活性官能团而成为非常有应用潜力的吸附材料。环境条件和有机污染物自身的理化性质会改变它们的赋存状态,从而影响它们的吸附行为和机制。有机污染物的分子团簇态是介于单分子态和沉淀态之间的一种赋存状态且在环境中普遍存在。忽略有机污染物的分子团簇态可能导致对其环境行为和风险的理解产生较大偏差。本论文通过批量吸附实验并结合分子动力学(Molecular dynamics,MD)模拟和量子化学(Quantum chemical,QC)计算深入探究了典型有机污染物分子团簇的形成以及石墨烯和功能化石墨烯对分子团簇的吸附。主要研究结果包括:(1)探讨了在水-甲醇助溶剂体系中功能化石墨烯对疏水性邻苯二甲酸二辛酯(dioctyl phthalate,DOP)的吸附机制,并证实了DOP分子团簇的形成。DOP溶液的紫外透过率随着甲醇含量的增加先降低再增加,并随着DOP浓度的增加而降低,证实了DOP分子团簇的形成以及助溶剂对DOP分子团簇形成的影响。MD模拟的平衡构型图也发现了远离石墨烯的水-甲醇溶剂中DOP会形成分子团簇,进一步证实了DOP分子团簇的形成。此外,功能化石墨烯缺陷处的官能团吸附了大量的甲醇,削弱了DOP在功能化石墨烯中心的吸附;而功能化石墨烯边缘处的官能团削弱了甲醇与DOP对功能化石墨烯中心吸附位点的竞争。相比于其它官能团(范围从-0.29 e V到-0.18 e V)羧基对甲醇的吸附亲和力(-0.72 e V)更强,在功能化石墨烯对甲醇和DOP的竞争吸附中扮演着控制角色。(2)揭示了疏水性多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)例如萘(Naphthalene,NAP),菲(Phenanthrene,PHE)和芘(Pyrene,PYR)分子团簇的形成过程及石墨烯对PAHs分子团簇的吸附机制。分子间相互作用介导下的PAHs平衡构型碳原子密度场表明PAHs分子团簇的形成是一个自发过程,溶剂的极性越强和PAHs的芳香性越高越有利于PAHs分子团簇的形成。由于在极性溶剂(水和乙腈)中形成的紧密PAHs团簇具有较高的疏水性及其与石墨烯较强的π-π相互作用,因此增加了石墨烯对PAHs的表观吸附。与已发表文献中石墨烯吸附PAHs的实验数据进行对比,以分子团簇作为吸附初始态的模拟结果相对以单分子作为吸附初始态的模拟结果与实验结果匹配度更高,推测PAHs在实际吸附过程中是以分子团簇态被吸附。(3)揭示了亲水性抗生素(Sulfamethazine,SMT;Sulfamethoxazole,SMX;Sulfamethizole,SMZ)分子团簇的形成及它们竞争吸附的机制。批量吸附实验并结合理论计算结果表明无论是在单组分还是双组分抗生素体系中,SMZ都展现了最高的吸附平衡固相浓度(SMZ、SMX和SMT的吸附平衡固相浓度分别为0.115～0.165、0.096～0.151和0.082～0.108 mmol/g)。抗生素能通过苯环及杂环之间的π-π相互作用在水中形成分子团簇,并以团簇的形式被石墨烯吸附。随后抗生素分子团簇解离成单分子并进一步与石墨烯相互作用达到稳定构型。在单分子抗生素与石墨烯相互作用过程中,SMZ与石墨烯更高的吸附结合能有利于它们在竞争吸附中扮演更强势的角色,导致它们更高的吸附平衡固相浓度。(4)阐明了石墨烯分子团簇的形成及其对吸附的影响。通过石墨烯的固液比来控制石墨烯的聚集程度以及分子团簇的大小。石墨烯吸附SMT的平衡固相浓度随着石墨烯固液比的增加从0.119降低到0.089 mmol/g,并且在低固液比体系中SMT的吸附动力学呈现先上升再下降最后平衡的多阶段过程。在低固液比体系中,被吸附的SMT分子在石墨烯团簇的形成过程中会被挤出石墨烯夹层并从石墨烯表面脱落,导致了吸附动力学中的下降过程。石墨烯会通过片层间相互作用形成团簇,从而降低了它们对SMT的吸附。此外,相较于石墨烯团簇对SMT的吸附亲和力(-7.12 e V),单层石墨烯对SMT的吸附亲和力(-3.49 e V)较弱,从而导致SMT更容易从单层石墨烯表面解吸脱落以及吸附动力学的多阶段过程。本研究结果表明亲水性和疏水性的有机污染物在水相中均能形成稳定的分子团簇。与此同时,高芳香性的石墨烯吸附剂也能形成分子团簇。有机污染物以分子团簇的状态被石墨烯吸附,随后分子团簇解离成单分子并进一步与石墨烯相

关键词： 1Cr11Ni2W2MoV渗氮钢   纳米流体   MoS2   石墨烯  

摘要： 1Cr11Ni2W2MoV渗氮钢具有优异的耐磨性、耐腐蚀性和耐氧化性,因此1Cr11Ni2W2MoV渗氮钢广泛应用于航空发动机叶片、盘、轴等重要零部件中。正由于其表面硬度高、耐磨性优异,在磨削加工过程中往往面临着砂轮磨损严重、零件表面易出现热损伤、加工效率低下等问题,故而在1Cr11Ni2W2MoV渗氮钢的磨削加工中如何达到加工质量与效率的平衡是一个亟待解决的问题。本文通过采用使用干式、浇注式、Mo S2纳米流体微量润滑、石墨烯纳米流体微量润滑和Mo S2/石墨烯纳米流体微量润滑在不同磨削深度下对1Cr11Ni2W2MoV渗氮钢开展磨削加工试验研究,综合对比分析其对磨削力、磨削比能、表面粗糙度、表面显微硬度、表面形貌以及磨削加工表面摩擦磨损性能,探究不同润滑方式在磨削过程中的润滑机理。 （1）通过干式磨削作为预试验并对比磨削力、磨削比能、表面粗糙度和表面显微硬度,对后续采用不同润滑方式进行磨削试验研究确定磨削工艺参数选定磨削参数,最后确定磨削参数为:砂轮线速度Vs=30m/s,工作台速度Vw=14m/min。 （2）对纳米颗粒、复合纳米颗粒增强植物油基润滑剂性能展开探讨,对Mo S2纳米流体、石墨烯纳米流体和Mo S2/石墨烯纳米流体在磨削加工中的润滑机理进行分析,并与干式、浇注式润滑展开对比,最后介绍纳米流体的制备方法。 （3）使用三向压电晶体测力仪和半人工热电偶测温装置对不同润滑方式和不同磨削深度下的磨削过程进行测量,分析结果发现纳米流体微量润滑相较于干式磨削法向磨削力最高降低42.7%,切向磨削力最高降低49.6%,磨削比能最高下降49.6%,磨削温度最高降低38.5%。 （4）研究不同润滑方式在不同磨削深度下对表面粗糙度、表面显微硬度的影响规律,结果发现在一定范围内相较于砂轮线速度,磨削深度对表面粗糙度,表面显微硬度影响更大,纳米流体微量润滑较干式磨削降低表面粗糙度最高达73.1%,较浇注式润滑下降20.2%。 （5）分析不同润滑方式在不同磨削深度下的磨削表面形貌,发现随着磨削深度的增加表面材料粘附、搭接以及犁沟现象变重,Mo S2/石墨烯纳米流体微量润滑较其它四种润滑方式获得最好的加工表面。 （6）对不同润滑方式下磨削深度为20μm时的1Cr11Ni2W2MoV渗氮钢表面开展摩擦磨损实验,结果发现干式磨削表面的摩擦系数整体较低,但波动较大,摩擦磨损沟槽不清晰,Mo S2/石墨烯混合纳米流体微量润滑磨削表面摩擦系数较为稳定,进入稳定磨损阶段时间短,且摩擦磨损沟槽较为清晰完整。

关键词： 太赫兹   石墨烯   多频段天线   可重构天线  

摘要： 作为6G关键技术之一,太赫兹频谱资源十分丰富,具有传输速率高、传输容量大、稳定性好、保密性强等优点,更能适应现在爆炸式的数据通信。而石墨烯作为新材料,以优异的导热性、载流子迁移率和电可控特性被广泛用于各类可调谐器件。本文在传统天线模型基础上引入石墨烯材料,研究其在不同介电常数基板下对太赫兹天线性能的影响,分别设计了应用于太赫兹频段的两款天线,使其具备多频段、可重构等特点。论文的主要研究内容分为以下三个部分:1、为研究不同介电常数基板对石墨烯天线性能的影响,本文设计了一种工作在太赫兹频段的传统矩形微带天线。研究的基板材料分别为聚酰亚胺、石英、硅、二氧化硅、氮化硅和氮化硼,其介电常数依次是3.5、3.75、3.11、3.9、9.5和4.6。根据仿真结果可知,在天线结构、尺寸一致的前提下,石英和二氧化硅材料的天线在反射系数(S11)、驻波比(VSWR)、增益等性能指标上更为优越,也更贴近设计要求,为后续天线设计中的基板选择提供依据。2、为应对传统天线尺寸偏大、工作频段较少等问题,本文设计了一款工作在太赫兹频段的多频天线,存在辐射性能良好的七个波段。天线采用三层结构,将圆环和微带天线结合,再利用缝隙法和枝节法对石墨烯贴片进行改进优化,实现了 0.5THz到3.5THz频段内的七波段工作范围。天线的基板由石英材料构成,接地面采用高导电性的铜,辐射贴片用厚度为10nm的石墨烯材料,天线总体尺寸为80×80×10μm3。该天线的谐振频率分别为0.52THz、1.32THz、1.63THz、1.93THz、2.5THz、3.07THz、3.35THz,各谐振频率点上的驻波比均接近1。3、为应对太赫兹天线频率模式单一、工作频段跨度小等问题,本文设计了一款工作在太赫兹频段的频率可重构天线。将4组石墨烯贴片放置在特定开槽处,利用石墨烯电导率可由偏置电压调控的特性,对石墨烯贴片采用两种调控方式均实现了天线在太赫兹频段下的频率调谐功能:开关式调控中,分别控制四组石墨烯贴片实现各开关的通断,仿真结果表明天线频率跨度为1.17THz。整体式调控中,将四组石墨烯贴片视作整体逐步进行调控,仿真结果表明天线可以实现从2.60THz到3.67THz的频率重构功能。两种调控方式下天线的反射系数均小于-15dB,相对带宽均大于10%,辐射性能优良。

关键词： 多层石墨烯   双转角多层石墨烯   平带   堆叠序   层间反铁磁态   半金属  

摘要： 电子间库仑相互作用引起的关联效应一直是凝聚态物理研究的核心问题。石墨烯系统由于其自身结构简单,能带可调控性强,特别是随着转角石墨烯体系的成功制备,已经逐渐成为了研究关联效应的一个重要系统。要在石墨烯体系中观测到显著的关联现象,最重要的就是要增强其费米面附近的电子态密度。目前,已经在两类费米面附近具有较大态密度的石墨烯体系,多层石墨烯体系和转角石墨烯体系中成功的观测到了相互作用导致的关联态。本论文主要围绕这两个体系的最新实验进展,聚焦亟待解决的重要科学问题,做了进一步的理论探索。具体的研究内容如下: (1)在转角石墨烯方面,最近的一个重要实验进展是在双转角三层石墨烯中观测到了莫尔平带导致的非常规超导态,这是除了转角双层石墨烯之外第二个确定存在超导的莫尔异质结结构。双转角三层石墨烯的成功制备引出了一系列有趣的理论问题:和转角石墨烯(单转)类似,如果将双转角三层石墨烯中的单层石墨烯换成双层石墨烯(全部或部分),能够得到多少不同的莫尔异质结结构?这些不同的结构各自有什么样的特殊能带结构?哪些会有较强的关联效应?针对这些问题,本文系统的研究了各种由单层、双层石墨烯构成的双转角多层石墨烯结构,基于连续模型计算了这些构型的能带和拓扑性质。我们发现,这一类双转角多层石墨烯可以根据两个转角的相对旋转方向(交替或顺序旋转型)和中间的范德瓦尔斯层(单层或双层石墨烯)分为四种类型,每种类型都有其独特的能带结构特征。计算结果表明,中间层为单层的交替旋转型双转角多层石墨烯与已知的双转角三层石墨烯类似,在魔角1.54°处不仅有一对完美平带,还存在一对线性或抛物线型色散能带。中间层为双层的顺序旋转型双转角多层石墨烯在转角小于魔角1.70°时,在费米面附近有两个孤立的窄带,带宽小于5 meV。同时,本文还研究了电场对系统的影响以及莫尔能带的拓扑性质。最终,筛选出了两类双转角多层石墨烯:(i)中间层为单层的交替旋转型;(ii)中间层为双层的顺序旋转型。我们预期在这两类构型中会有显著的关联和拓扑效应。 (2)在多层石墨烯方面,有两个比较值得关注的最新实验进展:一个是在Bernal堆叠多层石墨烯上观测到了具有能隙(或赝能隙)的关联基态;另一个是在Bernal堆叠双层石墨烯中观测到了自旋极化超导态。目前,在Bernal堆叠多层石墨烯中观测到的到底是什么样的关联基态还没有达成共识,相关的理论研究也非常少。本文利用Hubbard模型和自洽平均场的方法,系统的研究了Bernal堆叠多层石墨烯中的层间反铁磁基态。计算结果表明在这一体系中确实可以存在稳定的层间反铁磁基态。特别重要的是,当施加电场和适当掺杂时,能够将Bernal堆叠多层石墨烯中的层间反铁磁态诱导成一个铁磁的关联半金属态。由于偶数层和奇数层的Bernal堆叠多层石墨烯能带结构不同,关联基态存在非常明显的奇数-偶数效应。本文分别选取四层和三层石墨烯作为偶数层和奇数层Bernal堆叠多层石墨烯的典型例子,对这两个体系做了系统计算。在Bernal堆叠四层石墨烯中,当外电场超过一个临界值时,导带的自旋极化和净磁矩会发生反转现象。在Bernal堆叠三层石墨烯中,即使在零电场情况下,两个自旋的能带也是不简并的,这和通常的反铁磁态完全不同。我们的工作表明,Bernal堆叠四层石墨烯应该是检测Bernal堆叠多层石墨烯系统中关联半金属相的理想平台,而这一关联半金属态可以作为层间反铁磁态存在的一个直接证据,期待后续实验能够验证该理论预测。 (3)多层石墨烯和双转角石墨烯中能够出现显著的关联效应,主要原因在于其费米面附近的平带结构。最后,本论文从几个最简单的平带晶格出发(例如,Lieb晶格,Kagome晶格),研究了一个平带材料上存在的很普遍的问题:晶格中的平带对于晶格畸变是否稳定(Peierls相变是否会破坏平带)。我们发现,晶格畸变对平带系统的影响可以分为两种类型:(i)Peierls相变不破坏平带。例如,在一维和二维的Lieb晶格中,Peierls不稳定性完全不影响Lieb晶格中的平带,发生变化的是其他色散能带。这一类的平带晶格还有Rhombic晶格。(ii)Peierls相变破坏平带。发生晶格畸变后,平带随之变弯曲。特别有趣的是,在平带不受Peierls相变影响的情况中,其平带所对应的电声子耦合总是为零。 本文的理论研究为相关体系下一步的实验工作指出了可能的研究方向和具体的理论预测,我们预期本文中的理论预测能够很快在进一步的实验中得到验证。