摘要： 瑞士洛桑联邦理工学院团队开发出一种经济高效且可扩展的方法，制造出大面积具有均匀孔隙的石墨烯薄膜。这种薄膜能从气体混合物中选择性过滤二氧化碳（CO2）。该技术不仅能大幅削减生产成本，提升薄膜质量与性能，还可进行扩展，为实际应用铺平了道路。长期以来，科学家一直将石墨烯视为气体分离领域的理想替代方案，因为石墨烯的孔隙大小可设计为仅允许CO2通过，同时阻挡氮气等较大分子。

关键词： 石墨烯   缺陷调控   激光辐照   氩等离子体处理   氧化处理  

摘要： 纳米材料作为国家战略前沿的核心研究领域,其在科技创新与产业结构升级中的关键作用日益凸显。石墨烯作为二维纳米材料的典型代表,凭借其独特的狄拉克锥能带结构、超高载流子迁移率及卓越机械强度,在柔性电子、储能器件、量子光电探测等领域展现出巨大潜力。然而,随着石墨烯产业化进程加速,材料缺陷的精准调控已成为制约其器件性能提升的关键瓶颈,尤其是在化学气相沉积(CVD)法制备的大面积石墨烯薄膜中,本征缺陷与加工诱导缺陷的协同调控问题亟待解决。 本研究聚焦于石墨烯缺陷工程,构建了涵盖物理改性(激光辐照和等离子体处理)与化学处理(氧化处理)的多模态调控体系,系统揭示了缺陷动态演化规律及其对电学性能的调制机制。 在激光辐照研究中,单点辐照实验表明10%激光强度(功率为0.35 m W)为安全阈值对石墨烯无显著影响,而高强度辐照(功率为4.8 m W)会引入一些缺陷。区域辐照实验也表明,高强度辐照会导致缺陷生成、应力积累或晶格畸变,并且这种变化是不可逆的。通过背栅型石墨烯场效应晶体管(G-FET)测试发现,激光辐照引起的缺陷通过库仑散射和声子散射机制显著调制了器件输运特性,导致狄拉克点电压偏移(从21 V至31 V),为激光作为精细调控工具提供了实验依据。 在氩等离子体-退火循环处理的研究中,短时等离子体轰击(5秒)可快速引入高密度空位缺陷、边缘重构或晶格畸变,显著破坏石墨烯的长程有序性。但是退火处理对其造成的缺陷有明显的修复作用。通过建立退火时间与缺陷演化之间的定量映射关系,揭示了退火过程中碳原子迁移路径调控所诱发的功能化结构重构现象。部分参数的超量恢复现象突破了传统“缺陷修复-性能还原”线性认知,表明可控缺陷工程能够主动优化石墨烯的电子传输特性。 在氧化-退火循环处理的研究中,氧化处理显著增加小尺度破洞和局部缺陷,同时引入含氧官能团,导致载流子浓度升高、迁移率下降。退火处理在一定程度上可以修复缺陷并去除含氧官能团,但修复效果受退火时间影响:短时退火(30分钟)有助于缺陷的部分修复和含氧官能团的去除,但长期退火(1小时及以上)虽能降低含氧官能团的含量,但是却可能伴随新缺陷生成。这一发现揭示了氧化与退火处理在调控缺陷方面的协同作用及其局限性。 本研究通过精细调控激光辐照、等离子体处理、氧化处理及退火处理,系统阐明了缺陷动态演化规律及其对石墨烯电学性能的调制机制,为石墨烯缺陷类型的精准识别、空间分布的定量调控及功能化器件的性能优化提供了理论与技术支撑,有望推动石墨烯基器件在柔性电子与光电器件等领域的应用进程。

关键词： 发光二极管   石墨烯   氧化石墨烯   激光图案化  

摘要： 发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)技术在过去几十年中取得巨大发展,LED因其高效能、长寿命、成本低和环保等优势,为照明和显示领域提供了节能、可靠的先进光源技术。在应对更复杂、严苛的多场景适配时,现有LED仍然存在技术局限性,新型发光器件的研究至关重要。石墨烯作为一种由单层碳原子组成的二维结构材料,具有优异的电子输运性能、透明度和机械强度,因此,石墨烯是电子器件的理想材料之一。石墨烯基活性材料的发光特性研究,为构建二维、柔性且坚固的新型光源提供了理论支撑。石墨烯发光器件的研究对推动发光领域的发展具有重大意义。本论文主要探究了石墨烯基发光器件(Graphene-Based Light-Emitting Device,GLED)的制备及其性能特性,主要研究内容如下: (1)以氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)溶液为原料,采用激光图案化方法在GO薄膜表面原位刻画出器件结构,低成本、高效、简便地制备GLED。通过研究激光对GO的调控作用,提出了GLED制备过程的合理的GO溶液用量、激光功率、扫描速度等关键参数,实现了具有可控发光特性的功能GLED的成功制备。 (2)对GLED表面微观结构与材料表征、器件的表面工作温度以及光发射进行了细致研究。GO经激光还原后,氧含量降低,缺陷减少,产生脆性、粗糙且不规则的还原氧化石墨烯。GLED在垂直方向上是还原氧化石墨烯、半还原氧化石墨烯、GO的三明治结构,发光来自于具有光致发光特性的半还原氧化石墨烯。GLED工作时局部产生高热,表面的最高温度为700℃,致使表面结构的变化与GO的热还原,降低器件稳定性。 (3)将真空测试系统与光学显微镜、光谱仪、红外温度探头、拉曼光谱等多种测量设备联用,对GLED的电学性能、发光性能进行了深入研究。当GLED的尺寸缩小到100μm,发光5 min前后器件的电学参数基本不变,工作稳定性提高。GLED的发射波长由材料自身性质的决定,电压对发光波长分布有影响,光发射波长集中在600-880 nm,峰值处在760 nm、840 nm附近,电流与发光强度呈正相关。此外,栅压调控GLED器件的电流-电压特性与转移曲线表明,电场具有调控GLED的电流作用,栅电压与驱动电流的关系呈现一个平躺的反“S”的形状。 综上所述,本文成功制备了GLED,实现了稳定的明亮发光,并对GLED的性能进行了较为细致的研究,展示了石墨烯LED的发展潜力。

关键词： 水泥   发泡聚苯乙烯   多层石墨烯   吸波性能   多孔结构   双层平板结构  

摘要： 为了应对城市建筑空间的电磁辐射威胁，本文研究了多层石墨烯(Multilayer graphene,MG)与发泡聚苯乙烯(Expanded polystyrene,EPS)球形颗粒对水泥基复合材料电磁吸波性能的影响规律，探究了双层平板结构EPS-MG-水泥基复合吸波材料的最优组合，阐述了该复合材料的吸波作用机制。实验结果表明：复合材料中的EPS颗粒在基体内形成了独特的多孔阵列结构，显著增强了材料与自由空间的电磁匹配性能；并且EPS球形颗粒既是透波剂也是谐振腔，在合理的掺量下能与MG搭配形成良好的多孔导电网络，可通过界面极化、电阻损耗以及极化弛豫等方式吸收入射电磁波的能量。在此基础上，通过双层平板组合结构，充分利用密度梯度及层间效应，进一步提高了电磁波能量在传输过程中的耗散作用，实现了结构与材料组分之间良好的协同增强效果，在2～18 GHz的有效吸收带宽达到了7.93 GHz，并获得-18.80 dB的最强吸收峰，具备良好的电磁吸波性能，为低成本建筑吸波材料的发展提供了新思路。

关键词： 氟掺杂石墨烯   闪热法   快速制备  

摘要： 作为多功能材料之一,氟掺杂石墨烯（Fluorine-doped graphene,FG）因其独特的电学、热学和化学稳定性,展现出优异的性能,广泛应用于能源存储、催化、传感器以及高性能电子器件等领域。FG的制备技术面临诸多挑战,如需在高温高压等极端条件下进行、工艺流程繁琐且综合成本较高。因此,探寻更高效、经济且实用的制备途径显得尤为迫切。闪热法作为一种新颖的材料合成技术,因工艺简便、周期短、成本低而广受关注。本论文通过对闪热法制备FG进行了系统研究,成功实现了FG的快速制备,并对其应用潜力进行了探究。主要内容包括: 1.通过混合CaF2/NiF2与导电炭黑（CB）的作为固相前驱体在无预处理、无催化剂添加及环境友好的条件下,使用闪热法可快速制备FG粉末。在控制原材料比例和总质量恒定条件下,半离子C-F键比例随电压升高而增加,但氟含量随电压增加而减少;在控制电压和总质量恒定条件下,氟掺杂量及半离子C-F键比例均随原料中无机氟盐比例的增加而增大。此外,研究还揭示了无机氟盐中的F-阴离子在闪热条件下能发生价态变化,从F-阴离子转变为半离子C-F键。 2.使用氟化乙烯丙烯共聚物或聚四氟乙烯与CB混合作为固相前驱体,通过闪热法可成功制备FG。该工艺能有效调控产物中碳氟元素的结合方式。在原料比例和总质量不变时,产物氟含量随闪热电压升高而减少,而半离子型C-F键比例则先随电压升高至100 V时达到峰值,随后随电压升高而降低。在电压和总质量恒定的情况下,氟掺杂量及半离子C-F键比例均随原料中有机氟源比例的增加而增大。此外,研究发现含液态组分六氟苯的CB原材料在闪热后可以转化为FG,进一步拓展了闪热法在材料制备领域的应用范围。 3.本研究探讨了闪热法制备的FG材料的电磁吸波性能,综合考虑材料厚度的影响,发现氟掺杂量为3.22%的FG在2.9 mm厚度时,其反射损耗绝对值达到-48.055 dB,呈现出优异的吸波性能。

关键词： 石墨烯层   界面键   分子动力学   磨损破裂  

摘要： 石墨烯作为二维固体润滑材料,其超滑特性不仅是物理作用结果,其化学键结构机制下的摩擦化学现象,是深入理解石墨烯摩擦性能的关键.本文采用分子动力学(MD)方法构建了多重层数石墨烯增强不同粗糙形貌的金属基底模型,实现了其与金刚石尖端滑动过程的动态分析,揭示了考虑尖端与石墨烯之间存在界面键时石墨烯层的理化耦合作用下的磨损机理.研究结果表明:当考虑金刚石尖端与石墨烯之间化学键合时,石墨烯发生磨损破裂的临界载荷相对于不考虑界面化学键时的值减小,这是由于界面键的形成会剥离石墨烯导致石墨烯断裂所致;金属基底的粗糙度也是决定石墨烯发生磨损破裂时临界载荷的重要因素之一,当粗糙度增大,临界载荷减小,同时通过增加石墨烯层的层数(增韧)来提高石墨烯发生磨损破裂失效的临界载荷.

关键词： ZnO   石墨烯   纳米流体   自旋纽带   强化传热   最佳浓度  

摘要： 为解决套管式换热器传热效率低的问题，本研究制备ZnO-石墨烯纳米混合悬浊液并结合自旋纽带技术，研究套管内换热性能。实验显示，雷诺数为6 000时，自旋纽带使传热系数较光管提升17.03%;雷诺数为6 000～17 000时，纳米颗粒浓度增加使传热系数显著提高，最大较纯水提升31.55%。结论表明0.5%ZnO与0.5%石墨烯的组合为最佳浓度，可显著增强换热，为换热器优化设计提供参考。

关键词： 化学气相沉积   CMOS   无转移图案化石墨烯   低温制备  

摘要： 石墨烯（Graphene）凭借其超高载流子迁移率和优异导热性能,有望取代硅成为晶体管的基础材料,为后摩尔时代集成电路的功耗和性能突破提供新的解决方案。然而,传统的化学气相沉积（CVD）方法在高温（约1000℃）下依赖过渡金属基底生长石墨烯,不仅与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺中的后端制程（BEOL）热预算（≤450℃）存在严重兼容性问题,随后的转移工艺还会导致石墨烯基电子器件的界面污染和结构损伤。此外,高温下生长的石墨烯本征应力会导致表面褶皱结构,引发显著载流子散射效应,严重制约器件性能提升。本研究通过创新工艺设计,研究了面向CMOS工艺兼容的石墨烯薄膜制备技术。 本文提出了一种基于牺牲铜（Cu）层的图案化石墨烯生长策略,采用光刻、金属沉积、剥离等CMOS工艺制备图案化金属基底,实现石墨烯的直接生长,并研究了基底制备、基底预处理、生长气氛和牺牲金属去除等参数的影响。结果表明:（1）在蒸镀金属时,200℃烘烤可促使沉积的Cu晶粒粗化。并且在950℃退火后可以形成几十微米的大晶粒,但需要避免长时间高温退火导致Cu扩散穿过SiO2层并与Si反应。（2）在退火中加入氢气可以抑制Cu膜蒸发,在950℃下,使用500 nm Cu膜基底生长60 min时,石墨烯缺陷最小（平均ID/IG=0.2439）,层数最少(平均I2D/IG=0.5281)。（3）采用分步温控法去除牺牲金属层:将温度从950℃梯度降温至900℃后,在低压条件下退火1小时,在保持基底完整性的同时完成牺牲金属层去除,控制Cu的蒸发和熔融状态收缩,分别在蓝宝石（α-Al2O3）和硅片（SiO2/Si）基底上直接生长了图案化石墨烯,减少了石墨烯生长后的转移、光刻、刻蚀等步骤,避免了CMOS工艺带来的界面污染。 针对CMOS后端热敏感特性,为了减少高温对基底的影响,并使石墨烯生长与现代CMOS工艺相结合,本文还研究了石墨烯的低温CVD制备。研究了以Cu箔基底和Pd-Cu基底为催化剂时,退火时间、甲烷与氩气流量比和生长时间对石墨烯生长的影响。结果表明:（1）纯Cu箔表面获得最大石墨烯单晶畴49.05μm,表面无褶皱,波纹高度<1.5 nm;（2）Pd-Cu基底上表面制备了无明显褶皱或折叠的石墨烯,最大单晶畴36.59μm。低温制备的无褶皱石墨烯可以减少褶皱对载流子迁移率的影响,并且与BEOL工艺相兼容,为石墨烯晶体管的三维集成提供可扩展制造方案。