石墨烯流电耦合器件及其传感器研究

Due to its thinnest structure, high mechanical strength, excellent electrical properties, and the flexibility to cover various surfaces, graphene is an ideal material to build novel micro-and nano functional devices. Recently, we found that graphene has the ability to yield voltage from gas flow, the flow-induced voltage increases linearly with the square of flow velocity and this dependence is still able to maintain under speeds as high as more than one hundred m/s. By combining this effect with promising electrical and mechanical properties of graphene, we can design novel flow-electricity coupling devices (FECD ) and flow sensors. In this proposal, we will study the mechanism of the flow-electricity coupling effect in graphene and develop the techniques to fabricate and control these devices. In situ characterization combined with large-scale theoretical calculations are used to study the interface coupling in FECD. CVD growth, transfer and microfabrication are used to prepare and control the FECD, high speed gas flow and wind tunnel test are used to measure the response and performance of FECD in an engineering environment. The corresponding findings will unveil the control mechanism for FECD and provide helpful routes to construct novel flow-electricity coupling nanodevices.

石墨烯具有自然界最薄的厚度、极高的机械强度、优异的电性能以及能与各种表面灵活结合的特点，是构筑新型微纳功能器件的理想材料。我们前期发现，石墨烯在流体作用下会产生显著的流致生电效应，其产生的电压信号与气流速度平方有线性对应关系，并在每秒百米以上的高流速下仍能很好保持。将这一发现与石墨烯优异的机电性能结合，可以设计新型的流电耦合传感器件。本项目基于这一思想，开展石墨烯的流致生电效应原理和相关传感器件的构筑技术研究：通过大规模理论计算结合原位表征，研究石墨烯与各种界面的耦合作用及动力学过程；通过化学气相沉积制备和器件微加工技术实现石墨烯流电耦合器件的构筑与性能调控；通过不同环境、流场、风洞等拟工程环境研究石墨烯流电耦合器件的实际响应。从而深入揭示石墨烯流电耦合作用产生机理，发展相应器件的制造和调控技术，为石墨烯新型流电耦合微纳器件提供科学和技术基础，并探索其在航空结构中的应用。

石墨烯具有自然界最薄的厚度、极高的机械强度、优异的电性能以及能与各种表面灵活结合的特点，是构筑新型微纳功能器件的理想材料。本项目① 系统研究了用于流电耦合的石墨烯及石墨烯调制基底（氮化硼、二硫化钼）的气相化学沉积(CVD)制备方法，发现不同晶体质量、晶界、缺陷分布的石墨烯对于流电耦合性能有显著的影响；六方氮化硼基底能大幅优化石墨烯的耦合性能，通过改进制备条件实现了六方氮化硼单原子层晶粒尺寸和形貌的可控合成。 ② 设计了叠层石墨烯、石墨烯泡沫网络等结构，并通过CVD方法结合冷冻干燥转移实现了这些结构的可控制备，发现石墨烯泡沫与界面气体有高效的热电-热声耦合，可用做电控气流场或理想的热致发声器件。③ 利用基于电子束曝光的微加工技术，我们构筑了一系列微米尺度的流电测量器件，并将其布局在机翼模型各部位用于流速测量，发现在稳定环境下这类流电器件可以很好的测量气流分布，但在气氛-温度-流场复杂环境下会有较大的测量误差。④ 针对石墨烯与液流体界面复杂的耦合现象，我们发现运动液滴会在石墨烯沿液滴运动方向的两端产生一电压，这一电压和液滴的运动速度及数目成正比，可以利用其来探测石墨烯表面液滴的运动速度。结合第一性原理计算，我们揭示了这一现象的机制。⑤ 针对决定Seebeck系数的介观声子输运过程，我们发展了分子动力学模型和力学模型，使其能模拟预测数百纳米到数百微米结构的声子限域行为，在硅纳米线、念珠装硅线等结构中，该方法得到验证。⑥ 将石墨烯流电耦合性能与其他低维材料结合，制作了具有自供能、自驱动、自愈合特点的石墨烯流体传感和应变传感器件。项目期间已发表标注的SCI源刊物论文8篇，获得发明专利授权3项，新申请发明专利3项，培养硕士生3人，协助培养博士研究生3人。整体上较好完成了预期的研究目标和任务。