关键词： 折射率传感   同时测量   石墨烯   太赫兹波段   光学Tamm态  

摘要： 本文提出了一种可同时测量两种介质折射率的传感器。该传感器依次由单层石墨烯、薄介质层、介质腔A及含缺陷层(即介质腔B)的多层光子晶体组成。当入射光由石墨烯侧入射时，石墨烯与薄介质层界面上的太赫兹塔姆等离激元(TPPs)模式和光子晶体中的缺陷模式会被同时激发，二者相互耦合，形成非对称的法诺(Fano)共振线型吸收谱线。其吸收峰波长与TPPs模式激发波长一致，只对介质腔A中介质折射率敏感，而吸收谷波长与缺陷模式波长一致，并且只对缺陷层中介质折射率敏感，因此可以实现两种介质折射率的同时检测。数值模拟结果表明该传感器对介质腔A、B中介质折射率同时检测的折射率测量范围分别为1.3～1.46,1～1.005;灵敏度分别为0.125 THz/RIU、0.6 THz/RIU。本文的研究为利用TPPs模式与不同模式的耦合，从而实现多种介质折射率同时测量提供了新思路。

关键词： 石墨烯   化学气相沉积   铜箔单晶化   外延生长   卷对卷制程  

摘要： 作为一种战略新兴材料,石墨烯独特的结构和优异的物理化学性质受到了广泛关注。低成本、规模化制备技术和成熟稳定的制备工艺是石墨烯实现产业应用的前提。基于铜等金属催化剂衬底的化学气相沉积（CVD）生长方法,是高品质、大面积石墨烯薄膜宏量制备的首选。然而,从实验室样品,到规模化量产还面临着一系列的技术挑战,如缺陷密度高、生长速率低、薄膜均一性差等。 本研究针对上述问题,选取“卷对卷”连续化制备技术路线作为突破口,从催化剂衬底预处理、原料气设计、以及规模化装备与工艺等三个方面着手,解决了大面积单晶铜箔催化剂衬底的快速制备问题,调和了石墨烯生长速率与品质之间的矛盾,研制了热壁和冷壁卷对卷装备,开发了万平方米年产能的工艺包,为石墨烯薄膜的产业化应用奠定了技术基础。主要研究内容与创新点如下: （1）内应力驱动的多核异常晶粒同取向生长技术与米级Cu（111）箔材的卷对卷快速制备。Cu（111）因具有与石墨烯匹配的晶格常数和对称结构,被公认为最理想的石墨烯外延衬底。为突破“单核”异常晶粒长大过程中晶界迁移速率的限制,本论文提出多异常晶粒同取向形核、长大、拼接的策略。以工业多晶铜箔为原料,利用冷轧过程产生的残余应力,通过设计温度梯度退火工艺,诱导形成多个Cu（111）<110>异常晶粒,并促进其长大与融合,最终制备出Cu（111）单晶化箔材。进一步地,将该技术应用于卷对卷体系,通过调控铜箔依次经过的温度梯度区和恒温区,对多核异常晶粒长大过程进行有效的动力学调控,实现了米级Cu（111）单晶化箔材的快速制备,尺寸达到13.4 m,单晶化速率达到2 cm/min。 （2）乙炔碳源C2中间体“三聚成环”形核机制与高取向石墨烯的快速生长。针对石墨烯生长过程中高生长速率与高品质难以兼顾的难题,本研究从原料气设计入手,重点考察了乙炔碳源。通过第一性原理计算,揭示了乙炔裂解中间体C2物种通过“三聚成环”形成六元碳环的反应路径。与单碳物种由链到环的传统形核过程不同,该形核机制与铜衬底的相互作用更强、取向匹配度更高,从而实现了兼顾成核密度与高晶格取向一致度的快速生长。在10～4mm-2形核密度下晶格取向一致度达到98%。本研究还阐明了乙炔裂解产物的动态形核特性对生长速率的促进作用,进一步提升了石墨烯薄膜的卷对卷生长速率（达500 mm/min）。 （3）大尺寸石墨烯薄膜的卷对卷制备装备与工艺。本研究成功研制了10 cm宽幅热壁卷对卷CVD系统,采用模块化分段加热结构,通过十区独立温控与载具设计,实现了精准温度调控及高温传输稳定性。通过系统建立“碳源供给浓度、卷绕速率与石墨烯品质”的量化关系模型,本研究协同优化了铜箔传输速度、乙炔分压及H2/C2H2分压比等关键参数,成功实现了高质量（拉曼ID/IG≈0.1）石墨烯薄膜快速生长,建立了年产能达43200 m2的乙炔碳源卷对卷量产工艺包。

关键词： 氧化石墨烯   盐胁迫   水稻   种子引发   萌发  

摘要： 为了研究盐胁迫下氧化石墨烯(graphene oxide,GO)处理对水稻种子萌发的影响，本试验以水稻‘哈粳稻15号’为试验材料，在正常条件和盐胁迫下(0.05 mol/L NaCl)采用不同质量浓度(0、25、50、100 mg/L)的GO引发处理，检测不同处理后水稻种子的抗氧化酶活性、丙二醛及其渗透调节物含量的变化。结果表明：（1）低浓度GO(25 mg/L)可以促进水稻种子的萌发，而高浓度GO(50、100 mg/L)则明显抑制其萌发。25 mg/L的GO可以增加盐胁迫下种子的生命力，提高出苗率；（2）高浓度GO与NaCl复合处理，可以进一步加重盐胁迫对水稻种子生长的抑制效应，同时提高抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，减轻氧化应激反应；（3）GO处理促进了渗透调节物的合成与积累，增加水稻种子的渗透调节能力和抗盐害能力，强化幼苗的耐盐能力，显著提升其在盐环境下的出苗和成苗效率。低浓度GO可以促进水稻萌发，而高浓度GO对水稻生长具有一定危害。特别是在盐胁迫下，高浓度GO可以加大盐胁迫对水稻生长的毒害。建议盐碱地区在水稻生产实践中慎用高浓度GO相关肥料等。

关键词： 石墨烯   吸收增强   临界耦合   导模共振   连续域中束缚态  

摘要： 石墨烯作为一种新型二维材料,因其独特的能带结构、高载流子迁移率以及优异的光电特性,在光电子领域展现出巨大的应用潜力。然而,石墨烯的单层原子厚度导致其本征光吸收率较低(仅约2.3%),这限制了其在光电器件中的实际应用。为了克服这一局限性,研究者提出了多种光吸收增强策略,其中基于光子晶体和超表面的结构设计因其能够有效局域光场并增强光与物质的相互作用而备受关注。 本文系统地研究了在光子晶体和超表面结构中,基于临界耦合原理的石墨烯光吸收增强机制,利用时域有限差分法仿真,提出了多种优化设计方案,并深入探讨了结构参数、材料特性及入射角度对光吸收性能的影响。研究中提出了支持导模共振的光子晶体和支持准连续域中束缚态的超表面,通过参数优化达到临界耦合条件,实现了石墨烯在目标波段的高效吸收,吸收率提升至50%。进一步,通过光子晶体和布拉格反射器的复合结构实现了石墨烯的多频带吸收和近完美吸收(吸收率达到98.3%)。 通过对结构几何参数和石墨烯层数以及石墨烯的化学势的调控,本文实现了对光吸收波长和带宽的灵活调控,通过对几何参数的调控实现了吸收频率的调控,通过多层石墨烯实现了宽带吸收,而在高化学势条件下,实现了极窄带吸收。此外,研究了金属薄膜(如银)作为完美反射器在复合结构中的作用,发现金属的寄生吸收在谐振条件下占据主导地位,显著削弱了石墨烯的光吸收增强效果。本文还探讨了入射角度对光吸收特性的影响。 本文的研究结果表明,通过合理设计几何参数和材料组合,可以实现石墨烯在目标波段的高效、可调谐光吸收,为高性能光电器件(如光电探测器、传感器和调制器)的设计提供了重要的理论和实验依据。

关键词： 二硒化钼   钠离子电池   负极   异质结构   石墨烯   碳纳米管  

摘要： 钠离子电池（SIBs）因其资源丰富、成本低廉以及与锂离子电池相似的储能机制,被视为下一代大规模储能系统的理想选择。然而,钠离子较大的半径导致传统负极材料在循环过程中面临显著的体积膨胀、动力学滞后等问题,从而限制了电池的循环寿命和倍率性能。在此背景下,二维层状材料二硒化钼（MoSe2）因其较大的层间距、高理论容量和特殊的能带结构,成为备受关注的钠离子电池负极候选材料。然而,MoSe2的本征低导电性和循环过程中的体积效应限制了其实际应用。 本论文针对钠离子电池负极材料储能性能的瓶颈问题,以MoSe2为核心活性组分,通过“核壳限域-异质协同-多维复合”的递进设计策略,系统研究了复合结构对储钠动力学的调控机制。研究采用配位自组装、异质界面构筑及多维碳网络集成等创新方法,开发出兼具高容量、长循环寿命及优异倍率特性的系列复合负极材料,为高性能储能器件的设计提供了理论依据与技术路径。 （1）核壳限域结构优化:通过钼源与多巴胺的分子自组装技术,优化前驱体配比（Mo/PDA=2∶1）,成功制备了超细MoSe2晶粒均匀嵌入三维氮掺杂碳骨架的核壳复合材料。该材料在0.5 A g-1下展现335.41 m Ah g-1的可逆容量,600次循环后容量保持率67.25%,其性能提升源于Mo-C/N键合界面与分级介孔结构协同增强电荷传输及抑制体积膨胀。 （2）异质界面协同效应:引入SnSe2构建异质结构,利用其宽层间距与MoSe2的多级反应机制形成互补储钠路径。优化后的10-SnSe2/MoSe2-NC异质结在0.5 A g-1下循环1000次后容量逆增至381.1 m Ah g-1（保持率106.9%）,归因于异质界面内建电场加速电荷分离及SnSe2转化-合金化反应的高容量贡献。 （3）多维碳基复合体系:通过集成碳纳米管（CNT）与还原氧化石墨烯（rGO）,分别构建一维传质通道与二维导电平面协同增强的复合体系。CNT复合体系（15 mg负载量）在0.5 A g-1下循环500次容量保持率94.1%(328.3 m Ah g-1);rGO复合体系(0.6 mg m L-1)则展现出更优异的循环耐久性（1000次循环容量保持率94.29%）与高倍率特性(3 A g-1下283.52 m Ah g-1)。相比碳纳米管（CNT）,rGO容量、循环寿命、倍率性能及电荷传输效率方面均具有综合优势。源于界面键合强化（π-π共轭）、缺陷工程调控（ID/IG=1.10–1.19）及分级孔隙缩短离子迁移路径的协同效应。 本论文通过“核壳限域-异质协同-多维复合”的递进设计策略,揭示碳基功能化与界面工程对储钠性能的增强机理,研究成果为高能量密度钠离子电池的实用化提供了创新解决方案,并拓展至其他过渡金属硫族化合物的性能优化,对推动清洁能源存储技术发展具有重要科学价值与工程意义。

关键词： 石墨烯   MoS2   量子电容   忆容器   气体传感器  

摘要： 在人类生活的各个领域,如日常生活、农业、工业和能源等,气体环境的变化扮演着重要角色,其不同的浓度、性质和地域分布对人们的作息习惯产生持续影响。因此,未来生活中对气体进行有效检测和利用显得尤为重要。近年来,二维材料如石墨烯和过渡金属硫族化合物(TMDs)因其独特的电子结构和高比表面积,以及对气体分子的高吸附和解吸敏感性,已被广泛应用于气敏器件领域。这些材料能够快速响应气体浓度变化,实现精确检测。因此,基于这些材料的二维半导体气敏电子器件在气体检测和利用方面展现出巨大的潜力和应用价值。 本文的研究核心在于深入分析气体吸脱附过程中二维半导体气敏电子器件载流子浓度的变化,使其在环境气体的检测和利用方面发挥有效作用。研究表明,气体的吸脱附作用会导致二维半导体材料的载流子浓度发生显著变化,这种变化进一步影响材料的能带结构和局域态密度等关键物理性质。通过精确测量气敏电子器件的电信号响应,可以更深入地理解气体与材料相互作用的机制。研究的关键在于利用材料在气体吸脱附过程中载流子浓度变化的特性,并通过应用多种增敏技术,实现气敏电子器件性能的有效提升。 第一部分提出了一种基于石墨烯量子电容的新型忆容器,在不改变忆容器物理结构(如电容器的介电常数、极板面积和板极距)的情况下,使器件获得高灵敏度性能。石墨烯作为一种零带隙半导体,展现出了双极化电场效应,使得电子和空穴之间的载流子浓度能够连续变化,从而在受到外界刺激下展现出灵敏的响应。基于此效应,验证了石墨烯量子电容在气体吸脱附(或光照、电场)作用下的记忆效应和多场耦合调控效应。此外,石墨烯量子电容忆容器在气体吸脱附(或光照、外加电场)过程中,模拟了一系列类似生物突触的人工突触行为,包括从短时增强到长时增强、从短时抑制到长时抑制的转变,以及高脉冲易化行为。通过分析气体吸脱附过程中的载流子浓度的变化,阐明了石墨烯量子电容忆容器在气体、光照和电场作用下电容变化的机制。 第二部分与石墨烯相比,二硫化钼(MoS2)具有明显的带隙,在气体吸脱附影响下,载流子浓度和费米能级将会有更显著的变化。因此,选择MoS2作为替代石墨烯的核心材料,设计了 MoS2量子电容忆容器。与石墨烯量子电容忆容器相比,基于MoS2量子电容的忆容器展现出了更优异的性能,具有更高的响应灵敏度和更显著的人工突触行为。MoS2量子电容忆容器展现了可被气体吸脱附、光照和电场等场域多场耦合调控和明显的记忆效应。该忆容器还模拟了一系列与生物突触相似的行为,包括短时记忆、长时记忆、短时抑制和长时抑制。这些特性为模拟生物神经系统的复杂功能提供了新的可能性。在多场耦合操纵下,基于MoS2量子电容的忆容器的也可以正常工作,包括电增强-电抑制、电增强-气体抑制、光增强-电抑制以及光增强-气体抑制等模式。同样采用了分析气体吸脱附过程中载流子浓度变化的方法,阐释了 MoS2量子电容忆容器的工作机理。这些发现不仅证实了 MoS2量子电容忆容器在多场耦合操控下的稳定性和灵活性,而且为开发新型的气敏电子器件提供了理论基础。 第三部分为了提升纯相TMDs材料在气体检测的性能,通过水热法成功合成了具有独特3D界面结构的MoSe2@MoS2 n-n异质结湿度传感器。本文通过精细调控材料中MoSe2和MoS2的比例,进一步增强了异质结对导电性的贡献,从而优化了气敏性能。这种异质结凭借其独特的界面电流调控特性显著改善了器件的电荷转移效率,进而增强了其灵敏度,并缩短了气体响应时间。具体而言,与纯相MoSe2相比,具有3D异质结的MoSe2@MoS2使灵敏度提升了一个数量级;而与纯相MoS2相比,其响应和恢复时间均缩短了大约一半时间。此外,通过探究传感器响应前后能带和势垒的变化,对传感机理进行了详细的解析,以帮助进一步理解和优化基于二维异质结材料的气体传感器性能。

关键词： 石墨烯   蒙烯铜复合材料   生长取向   界面重构  

摘要： 石墨烯具有优异的导热性、导电性及力学性能,在衬底表面沉积具有连续结构的石墨烯“蒙皮”更有助于发挥其本征特性。这种“蒙烯材料”在最大限度保留石墨烯优良性能的同时,可以避免金属衬底上石墨烯生长后的剥离和转移问题,同时还可以大幅提升工程材料的性能,推动“蒙烯材料”在实际应用中的发展。铜是石墨烯“蒙皮”的理想生长衬底之一,蒙烯铜复合材料可以显著提高铜的物理性能,进而形成具有优异性质的新型复合材料。本文就石墨烯在铜衬底上的生长取向及蒙烯铜复合材料界面重构的机理进行了研究。主要研究内容及结果如下: (1)研究了影响铜衬底表面石墨烯生长取向的根本原因。研究结果表明,石墨烯与低、高指数铜衬底之间的界面结合能及电荷密度具有明显差异。石墨烯与低指数铜晶面之间的界面耦合作用较强,而与高指数铜晶面的耦合作用较弱。同时,基于描述符的定量计算进一步验证了石墨烯与不同晶面铜衬底之间界面耦合强度的关系。此外,使用这种界面耦合理论还可以进一步解释双层石墨烯的生长取向行为。结果表明,双层石墨烯的取向状态依赖于石墨烯与铜衬底的界面耦合强度以及两层石墨烯层间耦合强度的竞争。 (2)研究了温度和石墨烯“蒙皮”对蒙烯铜复合材料界面重构的影响。在蒙烯铜基元的热加工模拟过程中,由于铜和石墨烯的热膨胀系数不匹配,引发了界面热应力,促进了界面的重构。结果表明,模拟加工温度和石墨烯“蒙皮”对蒙烯铜界面的重构均有显著影响。这是因为高温和石墨烯“蒙皮”能够促进铜原子的有序化排列,导致在靠近石墨烯一侧,产生水平定向排列的密排六方晶相。模拟加工温度和石墨烯“蒙皮”对界面重构影响机制的量化结果表明:(i)模拟加工温度较高时,在保温阶段,铜衬底的全部晶相转变为非晶相,进一步研究发现这是界面产生水平定向排列密排六方晶相的必要条件;(ii)由于石墨烯与铜热膨胀系数不同,导致铜衬底在水平方向上产生拉伸应力,使铜衬底在冷却过程中具有形成水平排列密排六方晶相(HCP)的可能性,解释了降温过程中形成水平HCP晶相的原因。此外,分子动力学模拟和数学模型的进一步计算表明,靠近石墨烯一侧的铜原子会承受更大的拉伸应力,这一现象揭示了水平HCP晶相的形成机制。

关键词： 非晶氧化镓   石墨烯   氧化铟   异质杂化光电晶体管   日盲紫外  

摘要： 日盲紫外光电探测技术由于不受太阳辐射干扰,具有低背景噪声和高探测灵敏度等优点,在民用领域和军用领域被广泛应用。氧化镓材料具有4.9 e V的禁带宽度,与日盲紫外波段高度匹配,因此在日盲紫外探测领域展现出极高的应用潜力。其中,非晶氧化镓由于无需考虑晶格匹配,衬底选择范围广,在背栅光电晶体管的制备中具有一定优势。然而,由于非晶氧化镓的迁移率较低,基于单有源层非晶氧化镓制备的光电晶体管的栅控能力较弱,限制了器件光电性能的提升。为改善载流子输运特性,本文分别引入高迁移率的石墨烯和氧化铟,与非晶氧化镓构筑双有源层异质杂化光电晶体管。在该结构中,非晶氧化镓作为光吸收层,高效吸收光并产生光生载流子,高迁移率材料则作为电子传输层加速载流子输运,从而显著提高器件的光电转换效率,增强其光响应性能。 本文首先采用石墨烯作为电子传输层,构筑了非晶氧化镓/石墨烯异质结。然而,在非晶氧化镓的沉积过程中,高能溅射粒子易对石墨烯造成严重损伤,导致界面质量下降,进而影响异质结器件性能。为了改善界面质量,尝试调节非晶氧化镓的溅射工艺参数以降低溅射粒子能量,期望减少对石墨烯的损伤,但改善效果有限。随后,本文引入氧化亚锡缓冲层,利用其保护作用与应力调控作用,有效减少了石墨烯损伤,实现了异质结界面质量的提升。接着,基于该缓冲层方案,制备了非晶氧化镓/石墨烯异质杂化光电晶体管。尽管异质结器件存在栅控关断困难的问题,但通过深入分析其内在机理,提出了相应的改进策略。 然后,本文选用氧化铟作为电子传输层,构筑了非晶氧化镓/氧化铟异质杂化光电晶体管。为了充分发挥氧化铟在异质结器件中的电子传输层功能,系统地调节了氧化铟薄膜的厚度、溅射功率、气体压强等工艺参数,将其迁移率提升至7.88cm2/V·s,然后在此基础上,进一步优化非晶氧化镓薄膜的厚度以提升异质结器件的光电性能,最终制备出响应度达8.01×10～4 A/W,比探测率达3.37×1018 Jones的高性能异质杂化光电晶体管。 综上,本文探索了非晶氧化镓/石墨烯异质结的界面调控与器件制备策略,并成功制备出具有超高响应性能的非晶氧化镓/氧化铟异质杂化光电晶体管,推动了非晶氧化镓在日盲紫外探测领域的应用。

关键词： 埃洛石纳米管   石墨烯   气凝胶   蒸发性能   咸水脱盐  

摘要： 【目的】针对黄淮海缺水盐渍区灌溉用水短缺问题，开发一种基于埃洛石纳米管（HNTs）和氧化石墨烯（GO）的复合气凝胶材料，通过太阳能驱动的水蒸发技术对盐渍区咸水脱盐，为盐渍区提供可靠的灌溉用水。【方法】利用HNTs和GO作为原材料，通过优化材料配方和工艺条件，制备了具有高效水分蒸发性能的气凝胶。试验过程中，重点探讨了埃洛石质量浓度、光照度、光照时间等因素对蒸发性能的影响，并优化了制备工艺。通过拉曼光谱、接触角测量、扫描电子显微镜、比表面积测试和X射线衍射光谱等手段对样品的结构和性能进行了表征。【结果】当埃洛石质量浓度为600 mg·L-1时，所制备的埃洛石/石墨烯复合气凝胶（HGA-3）展现出最优的蒸发性能。在光照条件下，该气凝胶能迅速将太阳光能转化为热能，提升表面温度，从而加速水分蒸发。试验结果显示，HGA-3在3个太阳光照度下的蒸汽平均产生速率高达0.77 kg·m-2·h-1，为盐渍区农业灌溉提供了稳定可靠的水资源。此外，研究还发现，适量的埃洛石纳米管掺杂能有效提升石墨烯气凝胶的亲水性和水传输能力，进而增强其蒸发性能。【结论】成功制备了基于HNTs和GO的复合气凝胶材料，并通过试验验证了其在太阳能驱动水热蒸发方面的优异性能。

关键词： 石墨烯纳米复合防腐底漆   工程机械   防腐蚀性能  

摘要： 工程机械长期面临严苛工况，传统底漆防护力渐显不足。传统防腐底漆防护效果有限，迫切需要新型高性能材料提升工程机械的防腐能力与耐用性。据此，聚焦石墨烯纳米复合防腐底漆在工程机械领域的应用研究。详细阐述了该底漆的特点，分析其在提升工程机械防腐蚀性能、延长使用寿命方面的显著效果。研究表明，该底漆为工程机械防腐提供了创新解决方案，具有广阔的应用前景。