关键词： 光导型   石墨烯   暗电流抑制   电容反馈跨阻放大器   低温度系数  

摘要： 针对光导型石墨烯探测器暗电流大的特点，在分析几种暗电流抑制电路的基础上，利用电容反馈跨阻放大器(Capacitive Trans-Impedance Amplifier, CTIA)积分电路设计了一种新型低温度系数暗电流抑制电路。仿真分析结果表明，该结构具有良好的暗电流抑制能力。相比于传统CTIA结构，积分饱和时间提升显著，并且具有良好的积分均匀性和输出线性度。在-20～40℃温度范围内，电流--温度误差率为0.15%,电压偏移量不到80 mV,能够在室温条件下保持良好的暗电流抑制功能。探测器偏置电压漂移改善88.7%,为探测器稳定工作提供了保障。同时，抑制电流的大小可调，为改善石墨烯基探测器像元的不均匀性和未来制备大规模的石墨烯基探测器阵列提供了参考。

关键词： 单层石墨烯   双层石墨烯   第一性原理研究   中子辐照   从头算分子动力学  

摘要： 单双层石墨烯是石墨烯场效应管（GFET）的核心组成部分,单双层石墨烯的各种参数以及性能的变化都会对石墨烯场效应管的整体性能造成不可忽略的影响。单层石墨烯对离子、质子和电子辐射的抗性已经得到了充分证实,但关于中子的影响数据非常有限。因此,研究单双层石墨烯中子辐照后的各项性质的变化对探索提高中子辐照环境下碳基器件与电路的稳定性及其抗辐射加固技术的方法具有重要价值。本文通过赋予单个初级碰撞原子不同能量的方法在从头算分子动力学中模拟了单层石墨烯、AA双层石墨烯、AB双层石墨烯以及实际应用电场下AB双层石墨烯的中子辐照效应。使用密度泛函理论的方法研究了单层石墨烯和双层石墨烯辐照前后的微观结构、电子、力学和光学性质。本文的主要研究内容和结论如下: （1）单层石墨烯和AA双层石墨烯中子辐照后的性质差异的研究。结果表明:辐照后的单（双）层体系的表面会出现非周期性的波纹。在近似相同的中子辐照环境下,从波纹振幅角度考虑可以认为AA双层体系比单层体系更耐中子辐照。辐照后的单（双）层体系的带隙值将达到0.1 eV数量级。单（双）层体系的杨氏模量、剪切模量和层模量随反冲能的增加单调线性减小,且AA双层体系比单层体系下降的更慢。单层体系和AA双层体系在近似相同的辐照环境下的光学性质的稳定性是相差不大的。 （2）中子辐照和恒定电场(-0.2 V/（?）)下辐照对AB双层石墨烯影响的研究。结果表明:中子辐照(1×1013n/cm2的剂量)能量越高对AB双层石墨烯体系微观结构的影响就越大。外加电场下的中子辐照比仅中子辐照会导致AB体系平均层间距以及构型的进一步变化。此外,电场和辐照的叠加相比于仅辐照还会导致体系对称性和周期性进一步的降低。外加电场辐照下AB体系的带隙值并不会比仅电场下的带隙值都要大。在中子辐照环境下,外加电场对AB双层石墨烯带隙的准确调控会失灵。外加电场下的中子辐照相对于仅中子辐照会使得AB双层石墨烯的杨氏模量降低的更快。仅外加电场以及外加电场下中子辐照对AB双层石墨烯光学性质的垂直分量的某些位置相对影响较大。 （3）恒定中子辐照下电场(±0.2 V/（?）,±0.4 V/（?）)对AB双层石墨烯性质影响的研究。结果表明:仅外加电场(-0.1 V/（?）到-0.4 V/（?）)对AB体系微观结构的影响是非常有限的。辐照环境恒定下,外加电场的大小和方向对AB体系的微观结构具有一定的影响,但相对纯辐照来说是有限的。施加不同电场大小和方向时,构型的变化对能带结构的影响占据主导地位,表面波纹相对影响有限。恒定辐照环境下,不同电场大小和方向在一定程度上可以准确调控AB体系的带隙。然而,也会相应的降低体系一定的杨氏模量、剪切模量和层模量。不同电场大小和方向下的辐照会相对的增强体系约0.51 eV处的红外光谱的吸收。

关键词： 太赫兹   电磁诱导透明   超材料   石墨烯   慢光   传感  

摘要： 太赫兹(Terahertz,THz)波,作为介于红外和微波之间最后被开发的一段电磁波,它具有低光子能量、指纹谱和高穿透性等独特的电磁特性,THz技术在下一代无线通信、无损检测、成像等领域具有广阔的应用前景。然而,现有材料和器件的性能一定程度上制约了 THz技术的发展。电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency,EIT)是一种量子相消干涉现象,能够实现吸收背景下的特定透明窗口。EIT为研究THz与物质相互作用、慢光和非线性光学等提供了一个新途径,开展THz波段的EIT研究,对于研发THz功能器件和促进THz在无线通信、光开关以及传感器等相关应用领域具有重要意义。本文首先通过亚波长金属超材料设计,实现了 THz波段的新型EIT器件;并进一步将石墨烯(Graphene)引入超材料,实现了器件的主动调控。不同于传统器件仅对EIT窗口的调制,本研究实现了 EIT窗口以及相邻谐振的同时调控。主要研究内容如下: (1)设计并实现了一种基于明-明模式耦合的THz EIT超材料,其结构由环形开口环谐振器(CSRR)和矩形开口环谐振器(RSRR)组成。通过引入石墨烯,实现了对EIT效应的主动调控,并揭示了金属-石墨烯杂化EIT超材料中的两种动态调节机制:1)CSRR-graphene集成随着graphene费米能级的升高,内部耦合效应逐步减弱;2)RSRR-graphene集成时表面电场发生了重新分布。这两种机制通过场分布分析得到了验证。研究结果表明,杂化超材料的EIT窗口透射率可以被精确调控,并展现出超过85%的调制深度。特别的,RSRR-graphene的集成还实现了对EIT峰两侧共振的同时调制,进一步拓展了 THz调制通道。 (2)提出了一种基于明-准暗模式耦合的THz EIT超材料,其结构由圆环谐振器(CRR)和U形环谐振器(USRR)组成。通过调整谐振单元的物理尺寸实现了 EIT共振的精确控制。石墨烯的引入进一步实现了对EIT窗口及其相邻共振的主动调制。其调制机制归因于石墨烯费米能级的升高导致耦合效应减弱,以及USRR间隙处电容效应的减弱。研究结果表明,器件在EIT窗口处实现了 81.4%的调制深度,而相邻共振的调制深度高达97.5%。此外,所提出的混合EIT超材料还具备高灵敏度的折射率传感能力。本研究不仅阐明了石墨烯与金属超材料之间的普遍相互作用,还为开发紧凑型和主动式THz慢光及传感器件提供了新的途径。

关键词： 水泥砂浆   氧化石墨烯   硅烷   氯离子扩散系数   强度  

摘要： 为提高混凝土在恶劣环境的使用性能，本研究采用溶胶-凝胶法制备γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(GOPS)改性氧化石墨烯(GO),获得硅烷化氧化石墨烯(fGO)。然后用fGO填充水泥砂浆，测定其力学性能。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对材料进行表征。结果表明，与GO相比，fGO结构呈松散的层状，硅氧烷分子通过Si—O—C键与GO接枝。与对照组相比，fGO对水泥坍落度和坍落扩展度的影响较小。当fGO掺量为0.06%(质量分数)时，水泥砂浆的28 d抗折强度和抗压强度分别提升26.36%和36.29%,毛细吸水率和氯离子扩散系数分别降低56.64%和33.16%。热重和微观分析表明，fGO改善了水化产物的形态，增强了水化产物与砂粒的黏结性，整体提高了硅酸盐网络的完整性和稳定性。

关键词： 太赫兹波   超材料   石墨烯   吸收器   可调谐  

摘要： 太赫兹波处于红外波段与微波波段之间,这使得太赫兹电磁波具有独特的高穿透性和低光子能量特性等特殊的物理性质。这使其在无损探测技术、新型光电材料、宽频带无线通信和医学成像等领域表现出巨大的应用潜力。但是,在太赫兹频段的电磁响应中传统材料的表现通常较弱,难以满足太赫兹光学器件的需求。而超材料作为一种人工合成的周期性特殊复合材料,可以通过设计与调整其几何形状和排列方式,实现对太赫兹电磁波特性的精确调控,从而解决传统材料无法满足该需求的问题。太赫兹超材料器件中,超材料吸收器是研究的重点方向。而石墨烯材料由于其独特的二维结构、超高载流子迁移率和电导率以及可调谐的电学特性,在太赫兹吸收器中的应用备受关注。石墨烯不仅能够显著增强太赫兹波段的电磁吸收能力,还可以通过外部电场或化学掺杂调节其电导率,实现对吸收器性能的精确控制,从而推动太赫兹技术发展。这些优异的特性使石墨烯成为实现高效太赫兹功能器件的关键材料,推动了太赫兹技术在各个前沿领域的迅速发展。本论文主要通过多重反射干涉理论、等效电磁参数以及阻抗匹配理论对超材料吸收器进行研究。主要内容包括以下两个方面: 1.理论计算表明,对石墨烯电导率的调节通过调控石墨烯的化学势来实现,这可以使得石墨烯在不同的频率范围内对电磁波的高效吸收或抑制。通过仿真计算来研究超材料其本身的等效电磁参数,进而理解吸收器的特殊吸收特性,并进一步通过分析阻抗匹配理论、等效电磁参数理论和多层反射干涉理论来解释超材料吸收器的高吸收性能。 2.我们设计的吸收器主要由图案化的石墨烯表面层、介电层和底部金属薄膜的基底三部分组成。图案化石墨烯表面层由两个几何图案合并组成,并且具有特殊的槽形结构,以引发多重表面等离激元共振。CST仿真结果表明,该吸收器的带宽为3.12THz。在4.01到7.13 THz范围内,吸收率超过95%。我们使用多重反射干涉理论,并通过数值计算进一步验证了仿真结果,理论和仿真结果一致。为了深入探讨宽带吸收与高吸收率等物理机制,进一步研究了超材料吸收器表面电场的分布。我们还研究了吸收器的不同入射角与偏振模式,分析了其对吸收率的影响。接下来我们改变了石墨烯材料的化学势与弛豫时间,从而影响满足吸收器主动调谐的特性,并改变了吸收频率与吸收带宽。本论文所提出的吸收器的一些显著特点包括更大的带宽和更小单元尺寸的单层吸收器,同时不牺牲极化不敏感性或振幅调谐性。此外,该吸收器的结构与大多数现有的超材料吸收器相比非常紧凑。本文提出的可调谐石墨烯超材料吸收器将在太赫兹检测、滤波、成像等一系列领域中具有更多的潜在应用。

关键词： 道路工程   石墨烯纤维   有限元分析   电加热网   融冰除雪  

摘要： 为应对我国北方地区漫长冬季路面积雪带来的挑战，鉴于传统除冰雪方式会消耗大量人力、物力和财力，针对“主动型”融冰雪技术，即预置石墨烯纤维网加热路面展开研究。首先，利用有限元仿真软件构建石墨烯纤维网热力学模型，分析纤维网尺寸参数和布设间距，通过仿真实验确定最佳铺设尺寸参数；其次，制作室外路面板，将石墨烯纤维网预埋于路面上面层和中面层之间；最后，利用电能将石墨烯纤维网通电加热，验证预置石墨烯纤维网发热路面的融冰雪效果。实验结果表明，有限元模拟分析结果与室外路面板融冰雪实验结果契合度较高，在外界环境温度为-20℃、压实雪层厚度为20 cm左右的情况下，自然融化耗时55 h,能够实现路面冰雪的有效清理。