新型碳纳米材料微波特性实验与应用研究

发布时间：2017-05-21 14:10

  本文关键词：新型碳纳米材料微波特性实验与应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：材料特性决定应用。为了将碳纳米管和石墨烯应用于微波毫米波领域,本论文研究了水平排列多壁碳纳米管薄膜在微波频段的各向异性导电特性、石墨烯在微波频段的导电特性,并探讨了石墨烯在X波段的一些应用。本论文首先实验研究了水平排列多壁碳纳米管(HA-MWCNTs)薄膜材料在Ku,Ka以及Q波段的各向异性导电特性。实验样品采用化学气相沉淀法(CVD)结合机械滚轧法制备；样品的拉曼光谱表明滚轧过程未破坏碳纳米管分子结构,SEM指出碳纳米管取向基本一致；通过对比三明治和封闭式波导实验结构发现,封闭式波导结构可有效的避免能量泄漏,因而被用来进行样品的S参数测试；考虑到样品是由碳纳米管薄膜,聚酰亚胺薄膜以及泡沫构成的多层结构,传统的Nicolson-Ross-Weir (NRW)算法无法用来直接提取碳纳米管薄膜的电导率,因此我们从实验结构的信号流图出发,发展了基于测试S参数的样品复面电导率提取算法并验证了算法的正确性。基于该方法的提取结果表明,样品具有一定的各向异性导电特性；同时,样品复面电导率的实部在测试频段内几乎不随频率变化,而虚部随频率线性增加,因而,样品在物理上可视为一个RC并联电路。为了表征提取结果的不确定度,还基于测试系统误差和物理参数误差进行了误差分析,结果表明轴向电导率的准确度要优于周向电导率。其次,研究了单层石墨烯在微波频段(1-10GHz)的导电特性。为了满足微波毫米波应用对石墨烯样品尺寸的需求,采用CVD方法制备了单层石墨烯样品,并通过分析选取接触法对石墨烯进行S参数测量,设计了共面波导作为实验夹具。在对样品进行射频测试时,其结果不可避免的包含了夹具寄生参数的影响,本文采用去嵌入算法校除测试S参数中共面波导寄生效应的影响,获得样品的阻抗分布。提出由一个RL串联电路和两个RC并联电路构成的石墨烯样品等效电路模型,并与样品的阻抗分布进行参数拟合,得到石墨烯的面阻抗。结果表明,石墨烯样品在测试频段内感性较弱,呈电阻性,验证了Kubo公式的结论,且其阻值与文献中直流、太赫兹以及光学频段的测试值较为一致。结果还指出,石墨烯与测试采用的金电极接触电阻远小于石墨烯的电阻,表明接触法可有效的用于测试石墨烯样品。最后,基于石墨烯薄膜尝试研究X波段微波吸波体和微带天线。对于微波吸波体,在理论方面,通过仿真验证了石墨烯构建可控Salisbury屏微波吸波体的可行性,结果表明当石墨烯面阻抗发生变化时,结构的吸波效果会发生明显变化；在实验方面,通过构建石墨烯类FET结构实现了石墨烯面电阻的控制,并基于此结构设计加工了Salisbury屏,弓形法测试结果表明该Salisbury屏不仅能有效的吸收微波能量,且吸收率可通过调节石墨烯面电阻来进行控制。对于石墨烯微带天线,仿真结果表明当用石墨烯薄膜替代微带天线中的金属辐射贴片时,改变石墨烯的阻抗会使天线的回波和辐射方向图产生较大变化。但在石墨烯天线的实验测试中,由于石墨烯的阻抗变化较小,未观察到较为明显的回波变化。
【关键词】：水平排列碳纳米管薄膜 微波 面电导率 各向异性 波导 石墨烯 共面波导 费米能级 微波吸波体 微带天线 Salisbury屏
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-16
• 第1章 绪论16-28
• 1.1 引言16-17
• 1.2 碳纳米管材料电磁特性的实验研究现状17-18
• 1.2.1 单根碳纳米管17-18
• 1.2.2 宏观碳纳米管材料18
• 1.3 碳纳米管的应用概述18-22
• 1.3.1 有源器件19-20
• 1.3.2 无源器件20-22
• 1.4 石墨烯的国内外研究现状22-26
• 1.4.1 石墨烯场效应管23-24
• 1.4.2 石墨烯的无源应用24-26
• 1.5 论文研究内容26-28
• 第2章 水平排列多壁碳纳米管薄膜28-40
• 2.1 引言28
• 2.2 水平排列多壁碳纳米管薄膜的导电特性28-33
• 2.2.1 单根碳纳米管28-32
• 2.2.2 水平排列碳纳米管薄膜导电特性的定性描述32-33
• 2.3 碳纳米管的常见制备方法33-34
• 2.3.1 弧光放电法33
• 2.3.2 激光高温烧灼法33-34
• 2.3.3 化学气相沉积法34
• 2.4 水平排列碳纳米薄膜实验样品的制备过程34-38
• 2.4.1 垂直排列碳纳米管的生长35-36
• 2.4.2 水平排列碳纳米管的制备36-37
• 2.4.3 转移碳纳米管37-38
• 2.5 结论38-40
• 第3章 水平排列多壁碳纳米管薄膜各向异性微波导电特性实验研究40-56
• 3.1 引言40
• 3.2 实验结构40-42
• 3.3 Ka波段各向异性测试结果42-44
• 3.4 表面电导率提取44-48
• 3.5 误差分析48-51
• 3.6 宽带特性及结果分析51-54
• 3.7 结论54-56
• 第4章 石墨烯微波导电特性的实验研究56-70
• 4.1 引言56
• 4.2 石墨烯的能带结构简介56-58
• 4.3 石墨烯的面电导率模型58-59
• 4.4 石墨烯样品制备59-62
• 4.4.1 石墨烯的常见制备方法简介59-60
• 4.4.2 制备过程60-62
• 4.5 基于共面波导的石墨烯微波面电导率的实验研究62-68
• 4.5.1 实验结构及测试结果62-64
• 4.5.2 石墨烯方阻提取64-68
• 4.6 结论68-70
• 第5章 石墨烯的微波应用研究70-88
• 5.1 引言70
• 5.2 基于石墨烯的可调控微波吸波体的理论研究70-75
• 5.2.1 雷达散射截面简介70-71
• 5.2.2 基于石墨烯的Salisbury屏71-75
• 5.3 基于石墨烯的可调控Salisbury屏的实验研究75-82
• 5.3.1 石墨烯电压偏置结构75-77
• 5.3.2 石墨烯Salisbury屏的加工制备77-80
• 5.3.3 X波段反射率测试结果80-82
• 5.4 石墨烯微带天线82-87
• 5.4.1 微带天线简介82-83
• 5.4.2 石墨烯微带天线结构83-84
• 5.4.3 石墨烯微带天线的性能仿真84-85
• 5.4.4 S参数测试85-87
• 5.5 结论87-88
• 第6章 结论与展望88-90
• 参考文献90-96
• 致谢96-98
• 在读期间发表的学术论文和取得的研究成果98

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