基于石墨烯可饱和吸收被动锁模超快全固体激光器的研究

石墨烯具有饱和恢复时间极短、导热性好、吸收带宽、损耗低、成本低廉且容易制备等优点,被认为是光电子应用中理想的半导体可饱和吸收体材料,近几年受到广泛的关注。介绍了本课题组最近在石墨烯锁模超快全固体激光器研究中取得的一些进展。在用液相剥离方法成功制备出尺寸大于20μm的石墨烯薄片的基础上,将其应用于全固态Nd∶GdVO4激光器,实现了脉宽16 ps、平均功率360 mW的锁模激光输出,单脉冲能量为8.4 nJ;继而在宽带增益介质Yb∶KGW晶体中又实现了脉宽为489 fs的超快激光,平均功率564 mW。     

石墨烯被动锁模全正色散掺镱光纤激光器中的暗脉冲及其谐波

报道了一种基于石墨烯被动锁模的全正色散掺镱环形光纤激光器. 在激光器腔中应用激光诱导沉积法制备的石墨烯可饱和吸收体, 通过调节抽运光功率和偏振控制器的角度分别得到了明脉冲及其二阶谐波, 暗明脉冲对和暗脉冲及其二、三阶谐波这三类不同的脉冲. 其中, 暗明脉冲对和暗脉冲在基于石墨烯被动锁模的掺镱光纤激光器实验中都是第一次被观察到. 本文根据实验结果结合模拟分析了暗脉冲的产生机理, 并研究对比了明脉冲谐波和暗脉冲谐波产生的原因.     

金属催化制备石墨烯的研究进展

石墨烯作为一种新兴的碳素材料,从一出现就引起了众多学者的关注.石墨烯具有许多新奇的特性,使得石墨烯在光电领域及微电子工业等有极大的应用潜力.但是目前难以实现大尺寸、高质量、宏量石墨烯的可控制备,限制了石墨烯的广泛应用.本文分析了各种石墨烯制备方法的利弊,重点从层数控制及大面积制备等方面对金属催化法进行了阐述,固态碳源金属催化法可以实现宏量制备大尺寸、高质量、薄且均匀的石墨烯.综述了金属催化制备石墨烯的相关机理研究,指出了目前研究的局限,并对石墨烯相变机理的下一步研究方向进行了展望.     

铜基底上双层至多层石墨烯常压化学气相沉积法制备与机理探讨

化学气相沉积是目前最重要的ー种制备高质量、大面积石墨烯的方法.而铜是化学气相沉积法制备石墨烯中最常用的生长基底.虽然有大量文章报道了关于石墨烯的生长条件及生长机理,但是作为最广泛采用的材料,铜基底上双层及多层石墨烯的生长机理仍然在探索中,本文采用常压化学气相沉积法,以乙醇为碳源在铜基底上生长石墨烯,并将其转移到SiO_2/Si基底上.用场发射扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、光学显微镜对所制备的石墨烯进行表征和层数分析,对转移到不同基底上的不同层数的石墨烯进行了透光性分析.结果表明,常压条件下铜箔表面能够生长出质量较高、连续性较好的双层至多层石墨烯.此外,我们还对铜基底上双层至多层石墨烯的生长机理进行了探讨.     

化学气相沉积法制备大尺寸单晶石墨烯的工艺参数研究

石墨烯作为一种二维sp2杂化碳的同素异形体,具有优良的电学、光学、热学及力学等性质.产业化应用石墨烯要求其具有大的尺寸且性质均一.化学气相沉积法(CVD)的出现为制备大尺寸、高质量的石墨烯提供了可能.本文结合近几年CVD法制备石墨烯的研究进展,综述了影响大尺寸、单晶石墨烯制备的工艺参数,包括衬底选择与预处理、碳源与辅助气体流量调控、腔体温度和压力控制、沉积时间以及降温速率设定等.最后展望了制备大尺寸单晶石墨烯的研究方向.     

基于化学气相沉积方法的石墨烯-光子晶体光纤的制备研究

本文利用常压化学气相沉积方法,在光子晶体光纤内孔壁上直接生长石墨烯薄膜,实现了石墨烯-光纤复合材料的直接制备.研究发现光纤中石墨烯层数和缺陷主要受生长温度、生长时间以及甲烷流量等参数影响.拉曼光谱和扫描电子显微镜等表征结果表明:石墨烯在光子晶体光纤孔内的生长均匀性良好,适当的高温、较长的生长时间以及合适的甲烷流量有利于生长高质量的石墨烯.石墨烯-光子晶体光纤复合材料的制备,对基于光纤平台的石墨烯光电器件的研究、开发和应用有着重要的推动作用,也为石墨烯全光纤集成应用提供了新的思路.     

基于少数层石墨烯可饱和吸收的锁模光纤激光器

本文利用化学气相沉积法高温分解甲烷在铜箔上制得单层石墨烯薄膜, 测量了石墨烯的拉曼光谱. 将石墨烯薄膜逐层转移到光纤跳线的氧化锆插芯端面上做成可饱和吸收材料, 实验研究了环形腔掺铒光纤脉冲激光器的输出特性, 获得了峰值波长为1560.1 nm, 3 dB带宽为0.27 nm, 重复频率为7.69 MHz, 脉冲宽度为58.8 ps 的锁模脉冲序列. 时间带宽积为1.98, 表明脉冲出现了啁啾. 最后, 通过改变两个光纤活动接头之间的空气腔的长度, 激光波长实现了4 nm的调谐. 关键词： 光纤激光器 石墨烯 锁模     

石墨烯在金属表面防腐中的应用

石墨烯作为一种新型材料,因其出色的化学惰性和抗渗透性逐渐成为了防腐领域的研究热点.本文结合最新的研究成果,对包括石墨烯薄膜及石墨烯粉体在防腐领域的应用进行更加全面的讨论.从石墨烯防腐作用机理(主要包括阻隔、屏蔽、缓蚀、加固、阴极保护和自修复)和其相应的涂层制备方法 (化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜及石墨烯粉体制备的复合涂料)开始,进而探讨不同影响因素(缺陷、导电性、氧化程度、片层大小及含量等)对石墨烯防腐效果的影响,最后对各种方法进行综合比较,并对未来的发展进行展望.本文通过对已有工作的回顾,为今后制备防腐性能更加优良的石墨烯材料提供重要的参考.     

Si面4H-SiC衬底上外延石墨烯近平衡态制备

SiC热解法是制备大面积、高质量石墨烯的理想选择之一.外延石墨烯的晶体质量仍是制约其应用的关键因素之一.本文通过SiC热解法在4H-SiC(0001)衬底上制备单层外延石墨烯.通过引入氩气惰性气氛和硅蒸气,使SiC衬底表面的Si原子升华与返回概率接近平衡,外延石墨烯生长速率大大减慢,单层石墨烯的生长时间从15 min延长至75 min.测试分析表明,生长速率减慢,外延石墨烯中缺陷减少,晶体质量提高,使得外延石墨烯的电性能都得到改善,单层外延石墨烯的最高载流子迁移率达到1200 cm2/V·s,方阻604?/.以上结果表明,控制生长气氛,减慢生长速率是实现高质量外延石墨烯的可行途径之一.     

高质量大面积石墨烯的化学气相沉积制备方法研究

石墨烯因其奇特的能带结构和优异的物理性能而成为近年来大家研究的热点, 但是目前单层石墨烯的质量与尺寸制约了其实际应用的发展. 本文采用常压化学气相沉积(CVD)方法, 基于铜箔衬底, 利用甲烷作为碳源制备了高质量大面积的单层与多层石墨烯. 研究发现: 高温度、稀薄的甲烷浓度、较短的生长时间以及合适的气体流速是制备高质量、大面积石墨烯的关键. Raman光谱, 扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征结果表明: 制备的石墨烯主要为单层, 仅铜箔晶界处有少量多层石墨烯. 电学测试表明CVD制备的石墨烯在低温时呈现出较明显的类半导体特性; 薄膜电阻随外界磁场的增大而减小.     

六方氮化硼表面石墨烯纳米带生长与物性研究

石墨烯作为二维原子晶体家族的典型代表,由于其优异的物理与化学特性而受到学术界与工业界的广泛关注.石墨烯纳米带是宽度仅有几纳米到几十纳米的石墨烯.纳米带不但继承了石墨烯大部分优异的性能,而且具备可调控带隙、自旋极化边界态等石墨烯所不具有的新奇物理特性.这些特性使石墨烯纳米带成为未来探索石墨烯电子学应用所需要重点研究的对象.利用与石墨烯晶格结构相似的六方氮化硼(h-BN)作为绝缘介质衬底进行石墨烯及石墨烯纳米带制备,不仅可以有效地保持它们优异的本征性质,还可以开发出与主流半导体工艺相兼容的电子器件工艺与应用.本文回顾了近几年h-BN表面石墨烯及石墨烯纳米带研究的发展历程,详细阐述了最近的材料制备和物性研究的进展,并对高质量h-BN衬底制备的最新进展进行介绍,以期为未来实现高质量h-BN表面石墨烯纳米带的规模化制备并最终实现电子器件应用奠定基础.最后本文对h-BN表面石墨烯及石墨烯纳米带的未来研究方向进行了展望.     

通过光致还原调制氧化石墨烯寿命并用于微纳图形制备

氧化石墨烯因其宽带可调谐的荧光发射特性已被广泛应用于荧光成像、金属离子高灵敏检测和光电器件的制备.相比于荧光强度,氧化石墨烯荧光寿命不受材料厚度和激发功率的影响,具有更为稳定和均一的特性.本文研究了在激光还原过程中氧化石墨烯荧光寿命逐渐减小的变化行为,发现了长寿命sp~3杂化结构向短寿命sp~2杂化结构的转变.通过精确控制还原时间,结合激光直写技术,在单层氧化石墨烯薄膜上实现了二维码、条形码、图形和数字等微纳图形的制备,还在多层氧化石墨烯薄膜结构上获得了多寿命多层微纳图形.这种微纳图形的制备具有灵活无掩膜、高对比和多模式的特点,可用于高密度光学存储、信息显示和光电器件制备等诸多领域.     

扭转双层石墨烯物理性质、制备方法及其应用的研究进展

石墨烯是一种准二维蜂窝网状结构新型纳米材料,石墨烯的层数和构型对其性能产生重要影响.固体中准粒子的量子状态由其本身的对称性质所决定,扭转双层石墨烯打破了对称性,引起了强烈的层间耦合作用,改变了扭转双层石墨烯的电子能带、声子色散、形成能垒等物性,产生了独特的性能,如可以连续调控带隙0-250 meV,光电效应的响应度相比于单层石墨烯提高了80倍,因此对扭转双层石墨烯功能化研究有重大意义.本文同时还论述了扭转双层石墨烯向类金刚石转变的理论与实验研究进展,发现扭转双层石墨烯呈现出具有类金刚石结构与性能特征.进一步阐述调控扭转双层石墨烯的扭转角度对其内在性能的影响,揭示这种新型纳米结构在原子层次的行为特征.最后介绍了如何调控制备扭转双层石墨,分析其调控机理,讨论了各种制备工艺的不足与发展趋势.因此本文从扭转双层石墨烯的输运性质、晶体结构转变、制备三个方面展开阐述,并对其在先进电子器件领域的潜在应用进行了展望.     

石墨烯可调谐被动调Q掺铒光纤激光器

基于光学沉积方法,制备了石墨烯可饱和吸收体,并利用此可饱和吸收体搭建了环形腔结构的被动调Q掺铒光纤激光器,实现了稳定的调Q激光脉冲输出,其重复频率为5.1~14.2 kHz,最窄激光脉冲宽度为8 s,最大平均功率为162.3 W,且通过调节偏振控制器,中心波长在1556~1558 nm可调。     

化学气相沉积石墨烯薄膜的洁净转移

石墨烯因其优异的性能在很多领域具有广阔的应用前景.目前石墨烯薄膜主要是以铜作为催化基底,通过化学气相沉积法制备.这种方法制备的石墨烯薄膜需要被转移到目标基底上进行后续应用,而转移过程则会对石墨烯造成污染,进而影响石墨烯的性质及器件的性能.如何减少或避免污染,实现石墨烯的洁净转移,是石墨烯薄膜转移技术研究的重要课题,也是本综述的主题.本综述首先简单介绍了石墨烯的转移方法;进而重点讨论由于转移而引入的各种污染物及其对石墨烯性质的影响,以及如何抑制污染物的引入或如何将其有效地去除;最后总结了石墨烯洁净转移所存在的挑战,展望了未来的研究方向和机遇.本综述不仅有助于石墨烯薄膜转移技术的研究,对整个二维材料器件的洁净制备也将有重要参考价值.     

化学气相沉积法制备的石墨烯晶畴的氢气刻蚀

利用化学气相沉积法在抛光铜衬底上制备出六角形石墨烯晶畴, 并且在高温条件下对石墨烯晶畴进行氢气刻蚀, 利用光学显微镜和扫描电子显微镜对石墨烯晶畴进行观测, 发现高温条件下石墨烯晶畴表面能够被氢气刻蚀出网络状和线状结构的刻蚀条纹. 通过电子背散射衍射测试证明了刻蚀条纹的形态、密度与铜衬底的晶向有密切关系. 通过对比实验证明了石墨烯表面上的刻蚀条纹是由于石墨烯和铜衬底的热膨胀系数不同, 在降温过程中, 石墨烯表面形成了褶皱, 褶皱在高温氢气气氛下发生氢化反应形成的. 对转移到二氧化硅衬底的石墨烯晶畴进行原子力显微镜测试, 测试结果表明刻蚀条纹的形貌、密度与石墨烯表面褶皱的形貌、密度十分相似. 进一步证明了刻蚀条纹是由于褶皱结构被氢气刻蚀引起的. 实验结果表明, 即使在六角形石墨烯晶畴表面也存在褶皱和点缺陷. 本文提供了一种便捷的方法来观察铜衬底上石墨烯褶皱的分布与形态; 同时, 为进一步提高化学气相沉积法制备石墨烯的质量提供了更多参考.     

类化学气相沉积法制备缺陷可控的三维石墨烯泡沫及其复合电极电化学性能

三维石墨烯为开发高能量密度的电极提供了有效的途径.与二维石墨烯相比,三维石墨烯具有三维导电网络,极大地改善锂离子和电子传输的能力,同时能够承受电极循环期间的结构和体积变化.本文发展了低压封闭化学气相沉积法(CVD),以泡沫镍为模板,采用聚甲基丙烯酸甲酯为固态碳源来制备缺陷可控的三维石墨烯泡沫.分别研究了碳源添加量、反应时间及氢气含量对三维石墨烯泡沫形貌及结构的影响,发展了一种新型的三维石墨烯泡沫制备工艺,所制备的三维石墨烯泡沫具有缺陷密度可控,质量轻及化学性能稳定的特点.以三维石墨烯泡沫为导电框架和活性物载体来制备ZnO/石墨烯泡沫(ZnO/GF)复合电极并作为锂离子电池负极,循环200圈后仍能保持851.5 mA·h·g~(-1)的高比容量, ZnO/三维石墨烯电极表现出较高的可逆容量以及优异的循环性能.     

石墨烯射频器件研究进展

石墨烯因具有优良的电学特性,在半导体行业中受到广泛关注,特别因其具有超薄的结构和极高的载流子迁移率,为解决短沟道效应提供了可能,并且在高速电子领域具有应用前景.近年来,使用石墨烯作为沟道材料制备射频晶体管及射频电路是发挥石墨烯材料优势的一个重要研究方向.制造高性能的射频器件,首先要制备出高性能的石墨烯材料.在金属衬底上沉积均匀的单层石墨烯材料或者在绝缘衬底上外延生长单层、双层石墨烯材料都是获得高质量石墨烯材料的常用方法.器件结构及工艺流程的设计也是提升晶体管射频性能的重要因素,多指栅结构、T型栅结构、埋栅结构以及自对准工艺的发展能够有效改善石墨烯射频晶体管的截止频率及最大振荡频率.石墨烯晶体管独特的电学特性使得其除了可以构造与其他半导体材料电路相似的射频电路结构,还可以构造出功能完整并且结构更加简单的新型射频电路结构.     

悬浮石墨烯摩擦特性

石墨烯作为固体润滑剂在微/纳米机电系统中具有巨大的应用潜力.本文在SiO_2/Si基底上制备了微孔阵列,将石墨烯剥离在微孔上,形成悬浮结构.使用原子力显微镜研究悬浮石墨烯和支撑石墨烯的摩擦特性,结果表明:悬浮石墨烯表面摩擦力比基底支撑石墨烯明显减小,同时在支撑石墨烯上出现的摩擦增强效应也消失.随着石墨烯厚度的增大,面外刚度逐渐增大,悬浮石墨烯与支撑石墨烯的摩擦力差异逐渐减小.此外,使用预磨损探针时,悬浮石墨烯和支撑石墨烯的摩擦力都显著增大,且悬浮石墨烯的摩擦力依然比支撑石墨烯小.通过对比不同厚度石墨烯,不同针尖半径时悬浮石墨烯与支撑石墨烯表面摩擦力的变化,揭示了面外变形对石墨烯摩擦力的影响,为有效提高石墨烯固体润滑剂的摩擦性能提供了理论指导.     

石墨烯/硅肖特基太阳能电池的光电特性

以甲烷作为反应气体,利用化学气相沉积法在硅衬底表面上沉积石墨烯薄膜,制备了石墨烯/硅肖特基太阳能电池.利用原子力显微镜和拉曼光谱观察了石墨烯薄膜的表面形貌,并用紫外-可见光光谱仪和光-电流测试仪器研究了石墨烯样品和太阳电池的光电特性.实验结果表明:制备的石墨烯薄膜厚度为几个原子层,薄膜表面均匀,并具有良好的电学特性,石墨烯/硅太阳能电池的能量转换效率可达3.7%.