关键词： 丝素蛋白   纳米羟基磷灰石   氧化石墨烯   定向孔隙结构   生物活性骨再生  

摘要： 目的:支架材料作为细胞和生长因子的重要载体,在骨组织工程领域引起了广泛的关注,但如何构建兼具成分与结构双重优势的支架材料仍然是一个挑战。本研究通过使用定向温度场冻结-干燥技术制备了丝素蛋白(Silk Fibroin,SF)/纳米羟基磷灰石(nanoHydroxyapatite,nHAp)/氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)定向孔道多孔支架,系统研究了定向多孔支架的表征、形貌、降解率、生物相容性和生物活性,并与传统无序海绵样SF多孔支架、SF/nHAp多孔支架和SF/nHAp/GO多孔支架相比较,从材料组成和结构设计上为牙科、骨科等定向孔道支架材料的进一步研究提供了有意义的参考。方法:(1)基于定向孔道结构的SF/nHAp/GO多孔支架的制备及理化性能的研究本研究通过采用冷冻-干燥技术和定向温度场冻结-干燥技术制备了传统无序海绵样SF、SF/nHAp、SF/nHAp/GO多孔支架和基于定向孔道结构的SF/nHAp/GO多孔支架材料,通过场发射扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)测试对各组支架的形貌、孔径、孔隙率进行表征和比较;利用含有1U/ml蛋白酶XIV的PBS溶液测试各组支架的体外降解能力;为了评价支架的体外矿化能力,将各组支架高温灭菌后浸泡于1.5×模拟体液(1.5×SBF)中,利用扫描电子显微镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)观察样品的表面形貌和元素组成。(2)基于定向孔道结构的SF/nHAp/GO多孔支架的体外细胞毒性、细胞相容性及成骨诱导的研究为了评价各组多孔支架材料的体外细胞毒性、细胞相容性、和成骨诱导能力,将复苏后的小鼠骨髓间充质干细胞(murine Bone marrow mesenchymal stem cells,m BMSCs),在各组多孔支架材料上培养,培养1、3、7 d,CCK-8法检测细胞毒性,通过活/死细胞染色(living/dead staining)和罗丹明标记鬼笔环肽-DAPI染色后,利用激光共聚焦显微镜(LSCM)观察细胞的存活力和细胞增殖黏附能力。利用实时荧光定量PCR(RT-q PCR)技术检测多孔支架材料内部成骨相关基因的表达情况,包括ALP、Runx-2、OC、和Col-Ⅰ。(3)基于定向孔道结构的SF/nHAp/GO多孔支架对大鼠颅骨缺损修复实验研究随机挑选了24只雄性且健康的Sprague Dawle(标称SD)大鼠,分成两组,在大鼠的双侧颅骨上分别建立圆形缺损模型。Ⅰ组大鼠植入SF、SF/nHAp支架,Ⅱ组大鼠植入海绵样SF/nHAp/GO、定向孔道SF/nHAp/GO支架,实验动物在手术后6周、12周各处死12只,6周处死的大鼠在术后3周、4周、5周注射荧光标记,12周处死的大鼠在6周、8周、10周注射荧光标记,获得实验动物完整颅骨缺损骨块,拍摄X-射线照片(X-ray),在不同时间点观察各组大鼠骨缺损区的骨修复情况;随后制作非脱钙仅脱水的颅骨组织切片,在激光共聚焦显微镜下观察荧光染色标记情况;运用组织切片系列设备制作骨组织切片,通过HE、Masson染色,光学显微镜下观察骨细胞、炎症细胞情况;大鼠处死后,对其心、肝、脾、肾等内脏进行解剖,对其进行HE染色,对各器官细胞形态进行观察,对实验材料进行生物安全性评价。结果:1、基于定向孔道结构的SF/nHAp/GO多孔支架的制备及理化性能的研究表征结果表明,在多孔支架中SF、nHAp和GO没有出现明显的相分离情况,这说明三者组分具有很好的相容性。虽然nHAp和GO的加入在一定程度上降低了材料的孔径和孔隙率,但定向温度场冻结-干燥技术可以提高支架的孔径和孔隙率,使得定向孔道SF/nHAp/GO支架具有更好的孔隙连通性和更合适的孔隙率。降解实验显示,nHAp和GO在一定程度上增强了支架抵抗酶降解的能力,使得具有定向孔道的SF/nHAp/GO支架和SF/nHAp/GO支架具有一定匹配骨组织生成相应的降解速率。体外矿化实验结果显示,nHAp和GO的引入可以增加支架材料诱导类骨磷灰石的能力,有效提高促进成骨的能力。2、基于定向孔道结构的SF/nHAp/GO多孔复合支架的体外细胞毒性、细胞相容性及成骨诱导的研究细胞相容性实验结果表明,各组支架材料在一段时间内对细胞几乎没有不良影响,增加了nHAp和GO材料的支架细胞存活率与细胞形态均较好于纯SF支架,说明nHAp和GO均能促进细胞存活,且nHAp和GO对m BMSCs的增殖有更强的协同作用,细胞相容性更好。而增加了定向孔道的SF/nHAp/GO支架则得益于其独特的孔隙结构,使骨髓间充质干细胞的粘附与增殖更为有利。RT-PCR结果显示实验组各组

关键词： 铁系金属   石墨烯   电合成  

摘要： 氢能热值高,产物清洁,是替代化石能源实现碳中和的重要选择。电解水制氢技术因其环境友好、产氢纯度高,被认为是未来制氢发展的主要方向之一。其关键挑战在于开发高反应性、高性价比的电化学催化剂,以降低由析氧反应缓慢动力学引起的高过电位。铁系金属基电极材料价格低廉,储量丰富,具有独特的d轨道电子结构。低成本、易于获得的铁系金属氧(氢氧)化物可变氧化态多,有利于析氧反应中间体的吸附,被认为是很有前景的OER电催化剂。然而铁系金属氧(氢氧)化物依然存在导电性差、分散性差极易团聚、活性位点尚不清楚等缺点,阻碍了其实际应用。而引入具有高比表面积、高导电性的石墨烯作为载体制备复合型催化剂可以克服这一缺点。在增加材料整体导电性的同时,充分暴露活性位点,提高了材料的催化活性。因此,本论文围绕铁系金属基/石墨烯材料,一方面自主设计四电极体系制备催化剂对其制备条件进行了优化,另一方面对所制备材料的电化学析氢、析氧和乙醇氧化性能进行了考察并分析了其催化机理。通过多种金属负载、界面工程等方法对催化剂的活性位点进行优化,提高了催化剂的本征活性。具体工作分为以下几部分:1、铂钴/石墨烯复合材料的制备及其析氢和析氧反应性能的研究此项工作自主设计了一种四电极体系来合成Pt Co/石墨烯复合材料。该方法可在阴极剥离石墨片制备石墨烯的同时,在阳极高电压(30V)电解Pt,低电压(10V)电解Co,同时解决了Pt和Co存在溶解电压差、材料导电性差的问题,实现了铁系金属基/石墨烯复合材料的高效合成。在1M KOH中,析氧反应过电位η=339 m V,可以与商用Ru O相媲美;在0.5 M HSO中,析氢反应过电位η=43 m V,比商用Pt/C(20%)相近。性能测试结果表明,Pt促进了HER反应,Co促进了OER反应,在石墨烯上Pt、Co双金属的协同作用下,催化剂对HER和OER都表现出较为优异的催化活性。2、铂铁/石墨烯复合材料的制备及析氢和析氧反应性能的研究此项工作换用同为过渡金属、且价格更为低廉、地壳中储量更丰富的元素Fe,采用第一部分设计的四电极体系制备了Pt Fe/石墨烯复合材料。通过对第一部分工作性能优异的原因进行探究,该工作设计构建了Pt-O-Fe界面氧桥结构,材料表现出了突出的电化学催化性能。在1M KOH中,析氧反应过电位η=315 m V,与第一部分工作相比,性能提升了24 m V;在0.5 M HSO中,析氢反应过电位η=50 m V。Pt-O-Fe界面氧桥结构优化Pt和Fe的电子结构,提高材料导电性,从而提高了对HER和OER的电催化性能。此外,还揭示了Pt-O-Fe界面结构对Pt Fe/石墨烯的在酸性HER和碱性OER半反应的促进作用。该工作为通过构建高效的界面氧桥结构来提高电催化水分解性能提供了新的思路。3、镍/石墨烯复合材料的制备及其电催化乙醇氧化反应性能的研究为了解决了OER动力学迟缓的问题,该工作在阳极用过电位较低的乙醇氧化代替水氧化,提高了能量效率,同时生成附加值更高的化合物乙酸盐。采用简易的电化学阴极剥离-溶剂热的方法,合成了在石墨烯上均匀分散的Ni/G纳米催化剂。测试结果表明,催化剂Ni/G-4h的峰值电流密度为288 m A cm,起始电位为1.34 V,与OER相比,降低了0.21 V,表现出优异的电催化乙醇氧化(EOR)性能。催化剂含量丰富且均匀分布的镍(III)组分、大的比表面积及优异的导电性促进其催化性能的提升。

关键词： 单层边缘氧化石墨烯   氧化石墨烯   石墨烯   纳米材料   癌细胞转移  

摘要： 石墨烯作为一种由碳原子以sp2杂化构成的二维蜂窝状碳材料,具有极佳的光学、电学、力学等物理化学性质。然而,石墨烯自身过高的纵横比及表面活化能导致其易团聚且不易塑形,这些问题使其应用受到极大的限制。石墨烯的氧化物—氧化石墨烯,因其表面含有大量含氧官能团,并且具有易修饰,生物相容性好等特点,在生命科学领域拥有广泛的应用前景。然而,氧化石墨烯边缘及平面内大量的极性官能团如-OH、-COOH等易吸附水分子导致石墨烯结构折叠、尺寸膨胀,使其在水溶液中稳定性较差。因此,需对氧化石墨烯进行还原修饰,去掉大部分的含氧官能团,制备得到还原氧化石墨烯。但还原氧化石墨烯在去除含氧官能团的同时会在石墨烯平面形成大量的孔洞缺陷,不利于自由电子在面内的自由移动。因此,如何制备氧化程度较低,平面结构完整的边缘氧化石墨烯成为亟待解决的关键科学问题。 电解氧化剥离法因环境友好、易操作等优点被广泛应用于单层石墨烯及氧化石墨烯的制备。基于对电解法剥离制备氧化石墨烯的原理分析,本论文通过施加低电流密度、超低频方波电流成功制备了平面结构稳定的边缘氧化石墨烯。以PVDF做粘结剂,石墨烯为原材料制备石墨烯电极片,探究了不同电流强度及电解频率对氧化石墨烯氧化程度和层数的影响。通过Raman、FT-IR以及XPS对制备得到的边缘氧化石墨烯进行表征,结果表明当电解电流为0.1 A、电解频率为0.017 Hz时可成功制备石墨烯边缘含-OH和=O官能团的单层边缘氧化石墨烯。制得的单层边缘氧化石墨烯的尺寸范围为20-100 nm,在pH 2-10范围内的表面电势为-8至-16 mV,且在水和甲醇溶剂中表现出了出了优异的分散性和稳定性。 将制备所得边缘氧化石墨烯应用于抑制癌细胞转移应用。分别对L929细胞及B16F10细胞进行胰蛋白酶消解后与边缘氧化石墨烯进行共孵育,通过活性测试、细胞转移侵袭以及蛋白免疫印迹实验,发现边缘氧化石墨烯因其特殊的结构及极性可选择性地包覆在小鼠黑色素瘤B16F10细胞并抑制细胞膜表面上皮黏附蛋白EpCAM的再表达,从而抑制癌细胞的着床现象。但对于常规小鼠成纤维细胞L929并未表现出相同结果。

关键词： 石墨烯   氮化镓   界面调控   金属有机物化学气相沉积   生长机制  

摘要： 氮化镓作为具有代表性的第三代半导体之一,因其具有较大的禁带宽度（3.4 e V）、极高的击穿场强（3.3 MV/cm）等特性,在光电领域和射频器件领域中得到广泛应用。由于缺乏同质衬底,一般生长GaN薄膜时必须在蓝宝石等衬底上进行异质外延。然而,由于晶格不匹配,会导致外延层产生应变及位错,严重降低了GaN基器件的性能。近年来,利用二维石墨烯材料的良好温度稳定性、与外延层仅靠范德华力结合以及高热导率等物理特性辅助GaN异质外延成为国际学术热点。由于GaN在石墨烯上的化学反应活性不足,因此,在石墨烯基底上直接外延生长无应力、低位错密度的GaN薄膜仍是一个挑战。本文针对范德华外延GaN薄膜的界面调控及其生长机制进行了深入的研究,主要工作及成果如下: 1、针对石墨烯表面因缺乏悬挂键而表现出化学惰性,其表面自由能极低导致GaN低温成核位点缺乏的难点,提出了氧、氮等离子体及辐照等手段对石墨烯进行界面调控的方法,系统研究了三种处理手段对石墨烯界面态的影响机理。结果表明:（1）氧等离子体处理后,石墨烯面内引入了大量空位缺陷,导致其表面粗糙度大大增加;同时,含较多C空位的石墨烯晶格极易吸附O原子,第一性原理计算表明,其吸附能高达-8.78 e V。（2）辐照处理石墨烯会导致点缺陷和褶皱,并在热膨胀作用下应变形成裂纹,此时大量的C原子空位会进一步推动石墨烯边界处的钝化重构。（3）氮等离子体处理的石墨烯晶格损伤较小,pyridinic-N和pyrrolic-N是N原子在石墨烯晶格中的两种主要成键模式,该方法有助于实现在石墨烯氮原子掺杂衬底上范德华外延GaN的技术。 2、为了突破石墨烯上外延GaN呈三维岛状生长模式,导致无法合并形成平整、高质量薄膜的技术难点,采用界面调控手段对石墨烯的界面态进行改进,并根据不同的界面态特点构建石墨烯结构模型,利用第一性原理计算了Ga原子在石墨烯界面的成核位点。结果表明:（1）氮掺杂石墨烯中,N–Ga–N键的吸附能最强（-9.967 e V）,在成核初期,Ga原子更倾向于占据三个相邻N原子中间的空位,从而形成稳定的平面结构;（2）提高石墨烯表面对氧原子的吸附能力后,Ga原子与表面C–O悬挂键结合来实现成核;（3）石墨烯边界的锯齿形结构对Ga原子的吸附能高达-6.58 e V,可以形成十分稳定的平面C–Ga–C键。实验结果表明,低温GaN的成核形貌、生长中所受的应力与石墨烯表面态呈强相关性,且理论与实验结果高度吻合。 3、利用二步法在氮掺杂石墨烯上成功制备接近无应力（0.023 GPa）和低螺位错密度(9.76×10～7 cm-2)的2寸高质量氮化镓薄膜。研究发现,外延层内部位错密度的降低是由位错环湮灭和堆叠层错阻碍效应共同导致的,同时堆叠层错缓解了GaN生长初期的界面应力。并基于该高质量GaN薄膜为缓冲层,制备了Al GaN/GaN异质结肖特基二极管,阳极直径为100μm,阴阳极间距为10μm,该器件的开启电压为1.2 V,与未采用该缓冲层结构的同类型器件相比,该器件的反向饱电流降低两个数量级。在-5 V的反向偏压下,300 K温度下时器件的反向饱和电流为2.54×10-5 m A,450 K时增至3.05×10-3 m A。

关键词： 负极材料   锡酸锰   核壳结构   石墨烯   三嵌段共聚物   电化学性能  

摘要： 本文针对锡酸锰负极材料严重的体积膨胀和较低的电子导电率等问题,通过设计核壳型结构以及在合成过程中引入三嵌段共聚物,探究了不同的覆碳形貌和结构对复合材料电化学性能的影响,主要研究内容如下:(1)采用水热法,以氯化锡和氯化锰为原料合成了前驱体羟基锡酸锰(Mn Sn(OH))。采用逐层组装的工艺,在Mn Sn(OH)表面依次涂覆无定形的Si O层和酚醛树脂层,再利用高浓度碱的选择性刻蚀掉Si O,建立空隙层,制备具有核壳型结构的MnSn O@Void@C负极材料。利用XRD、Raman、SEM、TEM、XPS和BET等物相分析方法对复合材料的组成和结构进行了表征,研究了核壳结构中的空隙对MnSn O复合材料电化学性能的影响。MnSn O@Void@C表现出优异的长循环性能,在100 m A g循环150次后比容量为783.1m Ah g,在1000 m A g循环1000次后比容量为553.3 m Ah g。即使在电流密度为2000 m A g的情况下,在400次循环后,它仍然保持了419.6 m Ah g的比容量。(2)通过添加非离子型的嵌段共聚物表面活性剂P123和F127,在不同的嵌段共聚物浓度下辅助制备了具有不同结晶度且尺寸细化的前驱体Mn Sn(OH),并以此为基础制备了与氧化还原石墨烯的复合材料MnSn O/r GO。采用XRD、SEM、FTIR、TEM、BET等对其进行表征,探究不同的嵌段共聚物引入量对材料尺寸和结晶度的影响规律。经过一系列电化学测试,分析不同的MnSn O/r GO样品电化学性能的差异。P-MnSn O/r GO表现出较好的循环性能,在100 m A g循环100次后比容量为788.9 m Ah g,在1000 m A g循环300次后比容量仍能保持503.6 m Ah g。本文共有图40幅,表9个,参考文献94篇。

关键词： 石墨烯   纳米银线   透明天线   RFID   小尺寸   吉赫兹  

摘要： 随着无线通信技术的不断发展,军事、航空航天、车载无线通信等领域对天线提出了小型化与美观性的新要求。透明天线作为一种集合光学与射频技术的两大优势特点的新型天线,成为当下热门研究课题之一。然而,目前已报道的透明天线存在制备工艺复杂、材料易碎、导电性差和透光度低等问题。针对以上问题,本研究旨在设计并制备高性能透明天线,主要研究内容与创新点总结如下: 1、采用石墨烯和纳米银线材料制备复合导电薄膜,进行材料表征及光电性能测试。通过探究工艺参数对薄膜透光度及导电性能的影响,获得了薄膜最佳光电性能的制备条件。实验结果表明,石墨烯和纳米银线制备的复合导电薄膜,弥补了纳米银线薄膜的缺陷,并极大地提高了石墨烯薄膜的导电性能。最终制备的石墨烯/纳米银线复合薄膜透光率为86%,方阻值为7.8Ω/(15),满足预期设计要求。 2、针对现存的照明市场能源浪费以及农业粗放式管理的现象,本研究设计了一款谐振频率为915 MHz的透明超高频RFID标签天线,其结构为折叠偶极子。在谐振点的实测反射系数为-7.91 d B,辐射方向图与仿真结果高度吻合,标签最大识别距离为4.15 m。实测透明标签对于植物生长灯的光强性能基本无影响,透明RFID标签RSSI(Received Signal Strength Indicator)与温度呈线性关系。以上测试结果表明透明RFID标签在智慧农业的信息管理系统中具有巨大的应用潜力。 3、针对一些空间尺寸限制严格以及光学透光度要求高的应用场景,本研究设计了一款谐振频率为8.8 GHz的半波偶极子天线,辐射单元体的半波臂尺寸为4 mm×2 mm。实测谐振点的反射系数为-14.6 d B,E面辐射方向图呈倒“8”形状,H面辐射方向图呈全向性,辐射最大方向增益值为0.19 d Bi。对比现有的小尺寸透明石墨烯天线研究,本研究中的透明吉赫兹半波偶极子天线具有高增益、高辐射效率和小尺寸的优势。

关键词： 石墨烯   剥离   电磁屏蔽   阳离子-π相互作用   各向异性  

摘要： 近年来,随着无线传播、电子通信的飞速发展,防止电磁辐射对人体,电子仪器以及环境的污染已成为重要的课题。电磁屏蔽技术将在人体防护以及精密电子仪器保护以及防止飞行工具发生电磁暴等方向起着至关重要的作用。高分子导电复合材料(CPC)因为加工工艺简单,结构有效,电磁屏蔽效能优异方面有着其余材料不可比拟的优势从而成为了主流电磁屏蔽材料之一。对于CPC,为了维持复合材料本身的机械性能,需要在较低的导电填料掺杂下满足较高的电导率,才能实现良好的电磁屏蔽性能。通常,需要使用高电导率的填料进行掺杂,但绝大多填料成本较高,不利于产业化应用。另一方面,绝大多数高分子基体为不可降解高分子材料,不妥善处理会对环境造成较大的危害。为此,本论文尝试探索一种成本低,易于分散,无需后处理,工艺简单,拥有产业化前景的石墨尺度优化及原位剥离策略,并探究石墨原位剥离和分散对可降解复合材料电磁屏蔽效能的影响。本文所提出的石墨尺度优化及原位剥离制备可降解电磁屏蔽材料方法包括:(1)通过引入阳离子-π相互作用在淀粉溶液里分散剥离制备的电磁屏蔽涂层;(2)通过阳离子-π相互作用分散剥离和模压技术制备具有石墨片高度取向性,优异电磁屏蔽效能和机械性能的淀粉/石墨复合材料;(3)通过纳米纤维素辅助行星球磨仪剪切扦插原位制备小尺度石墨,利用金属阳离子交联制备超薄电磁屏蔽薄膜材料。首先,通过引入铵根离子与石墨层间形成阳离子-π相互作用来抵消石墨层间的部分范德华力作用,同时借助超声波作用对石墨进行剥离分散以及尺度优化,从而实现复合材料导电性能和电磁屏蔽性能的提升。进一步,制备了基于此分散剥离方法的淀粉/石墨浆料,并且在亲水表面涂覆制备了电磁屏蔽效能优异的复合材料涂层。具体而言,通过直接将浆料涂覆在亲水材料(木板、纸板等)表面制备电磁屏蔽涂层,并研究了涂层厚度对电磁屏蔽效能的影响。研究发现阳离子-π相互作用不仅能改善石墨分散和剥离,而且还可作为导电载流子提高复合材料的电导率和电磁屏蔽效能。其次,在用相同刮涂方法将浆料涂覆在疏水表面(聚四氟乙烯)干燥后,模压制备石墨取向的淀粉/石墨复合材料,探究石墨填料取向的影响因素,研究了石墨取向对复合材料导电性能和电磁屏蔽性能的影响,发现具有石墨取向结构的复合材料具有优异的电导率、电磁屏蔽效能以及机械性能,并深入探讨了具有石墨取向结构的复合材料的电磁屏蔽机理。最后,通过纳米纤维素在行星球磨机辅助下实现了对石墨高效剥离,研究发现剪切剥离可获得大量少层(5-8层,～3.4 nm)石墨烯。进一步,通过砂芯漏斗抽滤制备纳米纤维素/石墨烯复合薄膜,并用不同金属阳离子实现纳米纤维素与石墨间以阳离子-π相互作用的交联调控,研究了不同金属阳离子对复合薄膜的电导率、电磁屏蔽效能、机械性能以及电热性能的影响。

关键词： 可调谐   石墨烯   太赫兹超材料   二氧化钒  

摘要： 最近几年,学术界对于太赫兹功能器件的设计研究比较感兴趣,就生物医学传感方面,军事雷达,电磁隐身,电子通信等领域有非凡的应用价值。对于传统的超材料吸收器所具备的功能和结构对于电磁环境方面的要求无法予以充分满足,因此学者们纷纷开始研究主动可调谐超材料吸收器。为确保超材料吸收器吸收特性具备可调谐性质,本文专门提到了超材料太赫兹吸收器结构,其为二氧化钒、石墨烯材料和超表面互相融合形成的重要产物,基于多个角度对本文中的吸收器进行系统化的研究,具体研究内容如下:(1)提到结合二氧化钒可调谐多频带太赫兹超材料具有开关功能的吸收器。该吸收器共四层结构,底层为金底板,第三层为聚酰亚胺介质层,第二层材料是硅层,最上层为超表面,由两个具有开口的金圆环,并在开口处嵌入等大小的二氧化钒材料组成。对结构几何参数进行系统化的研究,材料特性、入射太赫兹波的偏振角度以及斜入射角度也会进一步影响到吸收性能,对吸收器的多频带吸收机理展开深入的分析。仿真结果表明,当二氧化钒为绝缘态时,吸收率最高为30.4%,远远达不到完美吸收条件,此时吸收器为关闭状态;当二氧化钒为金属态时,有三个吸收峰,在2.53、5.7、8.67THz处的吸收率都高于99%,这种吸收条件相对来说比较好,这个时候吸收器处于打开的状态。除此之外,对改变结构参数时吸收器具备的性能变化和吸收器的吸收机理做出科学的改变。(2)提到二氧化钒和石墨烯可调谐宽带太赫兹超材料吸收器,其超表面中含有二氧化钒和石墨烯材料,促使两种材料可以在同一个时间段调谐吸收器,达到宽带吸收的效果。该吸收器共四层结构,由上到下分别为超表面,硅层,聚酰亚胺介质层、金底板。科学的控制石墨烯费米能级、二氧化钒电导率,吸收器能够拥有两种不一样的属性,也就是动态调谐和宽带吸收。仿真结果显示,如果石墨烯费米能级表现为0.4eV,二氧化钒电导率显示为2×10S/m时,吸收器在5.75THz～10THz宽带吸收,带内取得的吸收率最大就是99.2%,最小的吸收率为82.1%,促使宽带吸收的要求能够得到充分满足。对结构几何参数进行深入的研究,同时对于入射太赫兹波的偏振角度和斜入射角度以及材料特性所影响吸收性能的具体表现展开分析,另外对吸收器的宽带吸收机理也做出科学的分析。

关键词： 二维横向异质结   界面   锂离子迁移   Clar规则   第一性原理  

摘要： 随着大规模储能系统和电气设备的快速发展,储能器件面临着越来越多的需求和挑战。其中,锂离子电池具有充电快、能量密度高的优点,在各领域应用日渐广泛。由不同种类二维材料组成的横向异质结应用到锂离子电池中时,可以表现出充放电速度快等独特优势。在二维横向异质结中,界面对充放电性能以及寿命具有决定性的影响。由黑磷与石墨连接组成的二维横向黑磷-石墨烯异质结(BP-G),作为阳极材料的锂离子电池可以同时实现高速率和高容量的优良特性。然而,BP-G界面具体结构还不清晰,界面效应尚待研究。本文使用第一性原理计算,探究了BP-G的界面原子结构、热力学稳定性、电子性质和锂离子扩散界面效应特性。首先,我们比较了不同界面BP-G的热力学稳定性,发现石墨烯和黑磷部分的左右两个边界各自为相互对称性界面时最稳定。其次,Clar规则的界面可以使BP-G在费米能级处打开一个有限的带隙,同时提高了热力学稳定性和电子学稳定性。然后,我们比较了使用Clar规则替换原子前后的两种界面结构,锂离子在跨越界面的扩散情况。结果表明,与完美的BP-G界面相比,符合Clar规则的界面可以为锂离子迁移提供更多的扩散路径,对应的扩散能量势垒也会降低。最后,我们探讨了锂离子在双层BP-G层间界面的扩散情况。发现由于层间相互作用的影响,锂离子在双层BP-G界面扩散的能量势垒显著增加。以上结果表明横向BP-G异质结的性质在很大程度上依赖于界面结构。本研究为BP-G中锂离子输运提供了清晰的物理图像,也为锂离子电池的快速充放电过程提供了理论支持。

关键词： 激光诱导石墨烯   柔性传感器   手势识别   可穿戴设备  

摘要： 人工智能和信息技术的飞速发展使得人机交互成为炙手可热的话题,其中,作为人机交互范畴的重要分支,手势识别不仅可以实现对机器的隔空操作,而且在聋哑人手语识别应用领域的前景十分广阔。传感器作为手势识别的核心,同时得到了广泛的关注。柔性传感器由于其优异的柔韧性,可灵活使用各种环境等优点,在人机交互、手势识别等应用领域中占有一席之地。随着柔性传感器不断在传感方式以及传感材料方面取得重大研究突破,越来越多的性能优越的传感器被设计制备出来,能够对各类运动信号和人体生命体征信号进行监测,然而由于柔性可穿戴器件在材质上的特殊性和应用场景上的复杂性,其在传感的稳定性、与基底材料的兼容性、成本控制以及生产工艺等层面将提出更高更多的需求。基于以上问题,本文主要开展了以下研究内容:1.设计制作了一种基于激光诱导石墨烯和柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)的柔性传感器,可以应用到人体生物信号的监测。该传感器具有良好的电学性能,延展性优越,在高达1 00%应变范围内,电阻变化率高达150,电压变化可达2V,具有良好的灵敏度,且性能稳定。同时,该传感器可以监测人体关节的运动,比如手腕,手肘以及嘴巴等的运动状态。2.基于柔性传感器设计一种可穿戴柔性传感器手套,该手套集成了信号采集电路、低通滤波电路、stm32f103开发板以及无线蓝牙信号模块,可以实时捕捉手势的运动,并实现远程的无线传输。3.基于可穿戴柔性传感手套和信号采集系统,开发一套手势识别系统。一是实现对机械手的控制,探索了远程操控机械来实现危险区域的安全作业。二是结合SVM算法开发了上位机手语识别软件,可以接收柔性传感手套的信号,并用SVM实现分类识别,最后将手语的含义用语音以及图片的形式进行播放。