关键词： 有源微腔   WGM微腔   光纤微腔   气体传感   石墨烯  

摘要： 光学微腔因其高品质因子(Q值)、小模式体积、长光子存储时间等特性,在现代光学技术领域占据重要地位,广泛应用于光学传感、片上光子器件、量子光学和非线性光学等方向。特别是在光学传感领域,高Q值微腔能够极大地增强光与环境介质的相互作用,实现对微小环境变化(如折射率、气体分子吸附、电磁干扰等)的超高灵敏度检测。 尽管光学微腔在传感领域表现出色,但仍面临一些挑战。在气体传感领域,由于目标气体分子与微腔模式的相互作用较弱,微腔模式对环境因素(如温度、湿度等)的敏感性可能影响测量精度。 为了克服无源微腔的局限性,研究者提出了基于增益介质的有源微腔传感器。通过引入增益介质,可以实现受激辐射放大效应,补偿微腔的损耗并提高信号稳定性。 二维材料(如石墨烯)因其优异的光电特性和表面吸附能力,近年来成为了提升微腔传感性能的一个重要方向。石墨烯材料能够进一步优化微腔的光学特性,增强光与物质的相互作用,进而提高微腔的传感灵敏度。为此,本研究进一步将石墨烯引入有源微腔系统。本文的主要研究内容如下: 1.分析有源光纤微腔与WGM微腔的理论模型 研究有源光纤微腔与WGM微腔的谐振特性,分析增益介质(掺Er3?)对微腔Q值、谐振光谱和模式竞争的影响。通过有限元方法(Finite Element Method,FEM)计算微腔内不同模式的有效折射率,为实验测量提供理论支撑。 2.制备高品质因子(Q值)的有源微腔和参数优化 采用CO?激光加工与溶液掺杂相结合的方法,制备了掺铒Er3?WGM微棒腔,并通过优化增益层厚度及掺杂浓度,实现光学增益补偿。在此基础上,进一步设计并制备了分布式布拉格反射DBR(Distributed Bragg Reflector)光纤激光微腔,结合石墨烯增益补偿机制,优化谐振模式控制、以及微腔的参数。实验表明,采用光纤锥形耦合技术表征其Q值,在引入有源增益的情况下仍可保持高Q值,同时,石墨烯作为二维材料显著降低了传感检测极限,提高了信噪比和测量稳定性,使其在低功率泵浦下仍能维持稳定的激光输出。 3.实现增益增强的高灵敏气体传感 在进行了理论分析和改进制备工艺的基础上搭建基于光纤锥形耦合的光谱测量系统,研究有源微腔在NH?和NO?低浓度检测中的性能。实验表明,该有源微腔传感系统显著提升了信噪比,并降低了传感检测极限。

关键词： 甚长波红外   光电探测器   局域共振吸收增强理论   表面等离激元  

摘要： 红外光电探测器是一种能够完成光电转换过程的装置,其应用范围涵盖光通信系统、成像设备以及光谱分析仪器等多个方面。其工作原理通常依赖于光电效应或其他光电转化机制,将入射光的能量转换为电流或电压信号。然而,现有的红外光电探测器大多工作在中波红外波段,很少作用于甚长波红外范围,主要原因在甚长波红外光具有更长的波长,使得其对材料的光学特性要求更高,传统的红外光电探测器材料在这一波段的光吸收能力较弱,难以实现高效的光电转换,而有着零带隙结构的石墨烯虽然有着较宽的光谱响应,但是其吸收率极低,因此需要进行更深入的研究,寻找更有效的甚长波红外探测技术方案。针对上述问题,本文基于表面等离激元的局域共振增强吸收理论,设计了一种铬十字缝隙结构超表面的石墨烯长波红外光电探测器。本论文完成的主要工作如下: (1)在石墨烯-金属超表面结构红外光电探测器的理论模型方面,通过对石墨烯光学特性的深入分析与计算,并将其与金属超表面阵列结构相结合,构建了融合金属谐振与表面等离激元效应的局域共振吸收增强理论,同时结合石墨烯可调化学势的特性,设计出一种铬十字缝隙结构石墨烯超表面甚长波红外光电探测器,通过建立仿真模型进行计算,成功验证了该理论对甚长波红外范围吸收能力的提升以及性能的可调谐性。 (2)在石墨烯-金属超表面结构红外光电探测器的仿真设计及性能优化方面,首先通过仿真模型研究入射光在不同偏振角下器件的响应差异,随后根据对器件超表面结构的参数调控进行器件在甚长波红外范围内光学性能的优化,并且计算器件结构对载流子生成率的提升。通过利用多软件的联合仿真,计算探测器在甚长波红外范围内的电学特性,并通过调整参数验证光电性能的对应性,最后模拟了石墨烯费米能级变化对器件性能的影响。 (3)在石墨烯-金属超表面结构红外光电探测器的制备及性能测试方面,依据仿真计算得到的参数,采用电子束光刻技术实现了器件的制造,引入双层胶光刻工艺,以增强图形附着性并提升剥离精度,有效改善了器件成品率与结构稳定性。对所制备的光电探测器进行2～16μm红外波段内吸收率和相关光电性能测试,实验测试结果与仿真计算结果较为吻合,器件的光电流较于暗电流提升约两个数量级,并且器件的响应度达到了2.1 A/W,内量子效率达到0.37。

关键词： 水污染治理   石墨烯光催化材料   工程应用  

摘要： 石墨烯光催化材料因其独特的电子结构和优异的光电性能，在水污染治理领域展现出广阔的应用前景。文章以典型污染池塘为研究对象，系统研究了改性二氧化钛/石墨烯复合光催化材料在实际水体治理中的应用效果。研究设计了新型催化网构建系统，通过为期9 d的现场试验，详细考察了水质主要指标的变化。结果表明，处理8 d后，化学需氧量去除率达48.0%,总氮去除率达69.5%,氨氮去除率为35.3%,溶解氧提升27%。同时观察到水体透明度明显改善，黑臭现象得到有效控制。研究结果证实了石墨烯光催化材料在小型污染水体治理中的实用性和有效性，为农村水环境治理提供了新的技术途径。

关键词： 太赫兹   石墨烯   八木天线   可重构  

摘要： 太赫兹(THz)频段(0.1至10THz的频率范围)与射频和微波频段相比,提供了更大的带宽和更高的数据速率。太赫兹频段因其高带宽和多样的应用场景受到极大的关注。在探测、高精度成像、医学、国防安全、无线通信等方面具有重要研究价值。随着太赫兹技术和无线通信技术的发展,对太赫兹器件的需求不断增多。可重构天线可以在不改变天线结构的情况下实现多种性能特征,从而满足系统的多样化需求。本文以八木天线为基本架构,设计了石墨烯调控可重构天线。本文的主要研究内容如下: 1.探究了石墨烯材料在可重构太赫兹天线中的应用。提出了两种基于石墨烯的太赫兹可重构偶极子天线。首先提出了以石墨烯为辐射主体的频率可重构偶极子天线,通过调控石墨烯化学势从0.3e V到0.9e V,实现了0.27～0.35THz的频率调谐。然后设计了金属-石墨烯混合结构的频率可重构偶极子天线,实现了0.274THz和0.312THz的双频切换,并通过参数优化,使天线在两种工作模式下的增益均比石墨烯天线有所提升,分别为至1.9dBi和0.9dBi。两种偶极子天线都具有频率可重构功能,且各项性能良好,为后续设计的太赫兹可重构定向天线提供了基础。 2.设计了一种基于金属-石墨烯复合结构的太赫兹频段可重构定向天线,该天线以八木天线为基础设计,可在五种不同的工作频率下实现定向辐射。通过加载石墨烯贴片,控制石墨烯贴片的电化学势能,使石墨烯贴片具有“开”和“关”的功能,从而实现频率可重构功能。该天线五种工作模式分别对应五个工作频带0.243～0.278THz、0.256～0.299THz、0.296～0.325THz、0.329～0.378THz、0.329～0.378THz。整个工作频带内,天线的最高增益值可达4.93dBi,方向性为8.9dBi左右。 3.设计了一种基于金属-石墨烯复合结构的太赫兹频段方向图可重构天线,该天线工作频率为0.3THz,以石墨烯贴片作为开关,通过控制石墨烯的电化学势能。实现了0°、90°、180°、270°四个方向的方向图可重构功能。天线在四个方向上的增益分别为7.8dBi、8.3dBi、8.3dBi、7.3dBi,方向性良好。

关键词： 二维材料   拉曼热测量   界面热输运  

摘要： 本文针对界面热调控问题，研究退火对石墨烯和硅基底间界面热输运的影响，通过拉曼热测量方法测量不同退火次数下石墨烯和二氧化硅/硅基底之间的界面热阻。实验结果表明，界面热阻值从未退火前的9.51×10-5K·m2·W-1降低一个数量级至5.00×10-6K·m2·W-1。主要原因为退火使得单层石墨烯与基底贴合更紧密，原子力显微镜测量结果表明，退火前后石墨烯表面粗糙度从0.609 nm降低到0.433 nm。

关键词： 石墨烯   电解质   突触晶体管   突触塑性  

摘要： 人工智能的快速发展依托于算法革新与算力提升,但其能耗瓶颈受制于传统计算机架构。在此背景下,类脑计算作为模拟人脑高效信息处理机制的重要方向,凭借其在图像处理、语音识别、自然语言处理等领域的广阔应用前景,已成为突破现有限制的关键路径。作为类脑计算硬件核心的储算器件,突触晶体管因其独特的写入-读取解耦特性,较传统两端忆阻器展现出更低能耗与更高性能的潜力,成为当前研究焦点。 二维材料石墨烯因其优异的载流子迁移率与机械柔性,在柔性电子、生物医疗及类脑器件领域展现出独特优势。然而基于氢化机理构筑石墨烯突触晶体管面临显著挑战:氢化反应可逆性调控困难,需依赖液态H+电解质或高缺陷石墨烯基底,导致器件稳定性不足且应用场景受限。相较之下,固态电解质体系通过界面双电层调制机制,既能以低栅压实现高效写入,又具备更优的器件集成性与环境适应性,为突破上述瓶颈提供了新思路。本文制备电解质门控石墨烯通道的突触晶体管,测试了晶体管的突触表现,探究了晶体管的应用可行性,并解释了晶体管的工作机理。主要研究内容和结果如下: （1）经过实验和分析石墨烯和H+的相关作用,我们发现石墨烯和H+发生氢化反应需要一定的条件,在含H+浓度较高的液态电解质中,或者使用高缺陷的石墨烯材料以降低氢化反应的电位。基于我们的材料的实验分析基础,我们提出固态电解质（HCl/PVA）门控的石墨烯通道的突触晶体管的研究。利用半导体和材料参数分仪（Keithley4200-CSC）测试了晶体管的转移曲线(IDS-VGS),通过分析转移曲线和电化学实验,可知该材料体系没有发生稳定可逆的氧化还原反应,这归因于我们采用的固态电解质（0.1 M H+）和石墨烯材料不具备氢化反应的条件。 （2）通过分析所提出器件的IDS-VGS曲线,其表现出闭合滞回的特征,得知所提出的晶体管具有突触塑性。测试了晶体管的突触塑性,包括兴奋性突触后电导（EPSC）、抑制性突触后电导（IPSC）、双脉冲易化（PPF）等短时塑性（STP）以及脉冲序列响应,并对相关突触表现给出了解释,表明晶体管具有良好的模拟短期存储能力。使用晶体管的实验数据验证并行计算的可行性,在Cross Sim平台进行了人工神经网络模拟（ANNs）,用于识别数字手写数据集（MNIST）,结果显示分类精度与数字浮点只相差3.7%。最后,使用Comsol建模了电解质中离子稳态和瞬态分布,基于实验和建模分析,对晶体管的工作机制给出了基于双电层调控的解释。 综上,本研究采用固态H+电解质作为栅极介质,成功构建石墨烯基突触晶体管。通过系统探究器件的突触可塑性特征与并行计算潜能,验证了该架构在实现高性能类脑计算方面的可行性,为发展新一代低功耗碳基神经形态器件提供了依据。

摘要： 在智能时代，功能性纺织品在可穿戴设备、医疗保健、家居生活等领域的应用需求显著增长。传统纺织材料（如棉、麻等）具有优异的亲肤性和绿色环保特性，但较低的导电率阻碍了其在智能化领域的广泛应用。在新型织物材料的研究中，石墨烯凭借良好的电学导电性能、较高的机械强度以及出色的柔韧性等优势，受到业界的广泛关注。大量研究表明，石墨烯能有效增强传统纺织材料的各种性能（如导电率、吸湿性、透气性等），实现传统纺织材料的功能化、智能化应用。

摘要： 近日,沙特阿拉伯(沙特)的GIMGrapheneFbrei公司宣布,已经开始商业化生产富含石墨烯的高性能碳纤维,这一举措不仅对沙特本国的产业升级意义重大(沙特的“2030愿景”),也在全球范围内引起了广泛关注,为石墨烯基复合材料的应用开辟了新的市场。GIMGrapheneFbrei公司由英国的GIM(曼彻斯特石墨烯创新公司)和沙特的Organized Chaos公司联合创立。该公司的首台机器已于2024年11月在沙特阿拉伯开始运行,生产过程采用当地原材料以及可再生能源,预计2025年将实现大规模制造。

关键词： 五边形石墨烯   O_(2)吸附与解离   第一性原理计算  

摘要： 基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了O_(2)在五边形石墨烯(PG)上的吸附与解离动力学行为.研究结果表明,PG并不能有效地激发O_(2),形成稳定的氧吸附结构需要克服约0.54 eV势垒,并且吸附的O_(2)分解需要克服约0.82 eV势垒.然而,O_(2)分解后的PG衬底结构却能使后续吸附的O_(2)分子自动分解,破坏C-C键,以致PG在空气中难以稳定存在.基于此,为了避免PG结构在空气中被氧化,我们进一步提出将过渡金属原子吸附PG,使得O_(2)更容易被过渡金属原子吸附与激发,从而避免了PG被氧化.