石墨烯流電耦合器件及其感測器研究

《石墨烯流電耦合器件及其感測器研究》是依託南京航空航天大學，由周建新擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯流電耦合器件及其感測器研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周建新
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

石墨烯具有自然界最薄的厚度、極高的機械強度、優異的電性能以及能與各種表面靈活結合的特點，是構築新型微納功能器件的理想材料。我們前期發現，石墨烯在流體作用下會產生顯著的流致生電效應，其產生的電壓信號與氣流速度平方有線性對應關係，並在每秒百米以上的高流速下仍能很好保持。將這一發現與石墨烯優異的機電性能結合，可以設計新型的流電耦合感測器件。本項目基於這一思想，開展石墨烯的流致生電效應原理和相關感測器件的構築技術研究：通過大規模理論計算結合原位表征，研究石墨烯與各種界面的耦合作用及動力學過程；通過化學氣相沉積製備和器件微加工技術實現石墨烯流電耦合器件的構築與性能調控；通過不同環境、流場、風洞等擬工程環境研究石墨烯流電耦合器件的實際回響。從而深入揭示石墨烯流電耦合作用產生機理，發展相應器件的製造和調控技術，為石墨烯新型流電耦合微納器件提供科學和技術基礎，並探索其在航空結構中的套用。

結題摘要

石墨烯具有自然界最薄的厚度、極高的機械強度、優異的電性能以及能與各種表面靈活結合的特點，是構築新型微納功能器件的理想材料。本項目① 系統研究了用於流電耦合的石墨烯及石墨烯調製基底（氮化硼、二硫化鉬）的氣相化學沉積(CVD)製備方法，發現不同晶體質量、晶界、缺陷分布的石墨烯對於流電耦合性能有顯著的影響；六方氮化硼基底能大幅最佳化石墨烯的耦合性能，通過改進制備條件實現了六方氮化硼單原子層晶粒尺寸和形貌的可控合成。 ② 設計了疊層石墨烯、石墨烯泡沫網路等結構，並通過CVD方法結合冷凍乾燥轉移實現了這些結構的可控制備，發現石墨烯泡沫與界面氣體有高效的熱電-熱聲耦合，可用做電控氣流場或理想的熱致發聲器件。③ 利用基於電子束曝光的微加工技術，我們構築了一系列微米尺度的流電測量器件，並將其布局在機翼模型各部位用於流速測量，發現在穩定環境下這類流電器件可以很好的測量氣流分布，但在氣氛-溫度-流場複雜環境下會有較大的測量誤差。④ 針對石墨烯與液流體界面複雜的耦合現象，我們發現運動液滴會在石墨烯沿液滴運動方向的兩端產生一電壓，這一電壓和液滴的運動速度及數目成正比，可以利用其來探測石墨烯表面液滴的運動速度。結合第一性原理計算，我們揭示了這一現象的機制。⑤ 針對決定Seebeck係數的介觀聲子輸運過程，我們發展了分子動力學模型和力學模型，使其能模擬預測數百納米到數百微米結構的聲子限域行為，在矽納米線、念珠裝矽線等結構中，該方法得到驗證。⑥ 將石墨烯流電耦合性能與其他低維材料結合，製作了具有自供能、自驅動、自癒合特點的石墨烯流體感測和應變感測器件。項目期間已發表標註的SCI源刊物論文8篇，獲得發明專利授權3項，新申請發明專利3項，培養碩士生3人，協助培養博士研究生3人。整體上較好完成了預期的研究目標和任務。