关键词： 光导纤维  

ISBN: (纸本)9787551737012

摘要： 本书分为6章。第1章是绪论。第2章介绍了微结构光纤的传输理论和研究方法。第3章是基于模式耦合理论的双芯微结构光纤偏振分束器研究，讨论了光纤几何参数对模式特性的影响机制。第4章是基于表面等离子体共振效应的金填充型单芯微结构光纤偏振滤波器研究，讨论了纤芯模式和表面等离子体共振模式的有效折射率、限制损耗以及光纤几何参数对曲线交叉点和共振峰的调控作用。第5章是基于表面等离子体共振效应的微结构光纤传感器研究，获得了同时具有偏振滤波和温度传感性能的集成器件。第6章是基于拉曼散射效应的完全填充型负曲率反谐振微结构光纤的传感特性研究，揭示了利用微结构光纤作为光与物质相互作用平台的明显优势和潜在价值。

关键词： MoS2   Cu   纳米酶   级联催化   抗菌性能  

摘要： 随着时代发展,生命健康问题越来越受到人们的关注。由于过度使用抗生素,导致各类病原微生物逐渐出现耐药性,并逐步演变为超级细菌。因此,新型广谱抗菌剂的研发迫在眉睫。自纳米酶被提出以来,其应用越来越广泛。作为近年来的研究热点,二硫化钼(MoS2)表现出许多类酶性质,如过氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、谷胱甘肽氧化酶(GSH-OXD)活性。其中,POD酶以及GSH-OXD酶活性在抗菌领域广泛应用。然而,作为一种新型POD酶,MoS2存在最大反应速率低的问题,不能满足抗菌需求。基于以上研究背景,本论文从表面修饰、电子传输调控、催化惰性基面活化等角度对MoS2进行调控,大幅度提升其拟酶催化性能,同时将拟酶催化抗菌与光催化抗菌作用联用,构筑具有级联催化抗菌作用的纳米酶。具体研究内容如下: (1)采用湿化学法在MoS2表面修饰PDA,实现小尺寸Cu Nps的均匀生长,获得MoS2/PDA@Cu纳米酶。实验结果表明:MoS2/PDA@Cu纳米酶具有优异的POD酶活性和抗菌性能,其对金黄色葡萄球菌的最低抑制浓度(MIC)可达25μg/mL。此外,添加H2O2(0.1 mM)对细菌生长的抑制作用更为明显,在MoS2/PDA@Cu纳米酶浓度为10μg/mL的条件下,抑菌率可达99.74%。MoS2/PDA@Cu纳米酶的最大反应速率(Vmax)为29.33×10-8 M·s-1,明显高于辣根过氧化物酶(HRP)。这是由于Cu纳米粒子作为电子供体,通过PDA将电子注入MoS2中,优化了 MoS2在拟酶催化过程中的电子传输,从而提高了其抗菌性能。 (2)采用四硫代钼酸铵[(NH4)2MoS4]与铜离子(Cu2+)螯合的方法,设计了一种形态可控、催化能力可调的Cu-MoS2纳米酶,实现了 Cu原子在MoS2基体中的原子级分散。实验结果表明:Cu-MoS2纳米酶具有优异的拟酶催化抗菌性能,50 μg/mL C3-M纳米酶在0.1 mM H2O2环境下对金黄色葡萄球菌的抑菌率达到99.76%。C3-M纳米酶的Vmax也达到了 14.30×10-8M·s-1,优于MoS2和HRP。这是由于该纳米酶中的Cu原子占据了 MoS2的(002)晶面,使原本的催化惰性晶面具有了催化活性。同时,Cu原子的电子云也向MoS2中的S、Mo两原子偏移,使得材料的催化性能提升,同时赋予材料SOD酶活性。 (3)在Cu-MoS2纳米酶的研究基础上,引入rGO与CeO2,制得Cu-MoS2/CeO2/rGO三元复合纳米酶。利用Cu-MoS2/CeO2/rGO异质结光催作用所产生的·O2-,使材料发生级联催化反应生成H2O2,实现H2O2的自供给,提高了光催化产物利用率,缓解了材料在发挥拟酶抗菌作用时对H2O2的依赖,为光催化和拟酶催化的联用奠定了基础。充分利用了其光催化产物,以提高抗菌性能。实验结果表明:与Cu-MoS2纳米酶相比,Cu-MoS2/CeO2/rGO纳米酶具有与其相近的Vmax(9.01139×10-8M·s-1),但其Km值更低,达到20.9486 mM。当Cu-MoS2/CeO2/rGO纳米酶浓度为0.3 mg/mL时,使用365 nm的LED灯光照15 min后,其抑菌率可达98.67%。淬灭剂实验进一步证明了 Cu-MoS2/CeO2/rGO纳米酶可发生级联催化反应。本研究为纳米酶级联催化反应的设计与发展奠定了一定的基础。

关键词： 铯钨青铜   硫化物   异质结   界面蒸发系统   水电联产  

摘要： 近年来,太阳能驱动界面水蒸发技术备受关注,因其在解决能源危机和淡水资源短缺方面具有巨大潜力。该技术利用清洁绿色的太阳能推动水蒸发过程以获取淡水资源,并通过开发高效的光热材料提高其效率,从而减少对化石燃料的依赖。因此,在实现“碳达峰、碳中和”目标方面,该技术被视为一条有效途径。然而,在处理复杂水环境时仍存在运行不稳定、光热转换效率低及能量利用不充分等问题。为了解决这些问题,我们通过改进光热材料设计、优化结构以及探索新型纳米光热材料等方法来提高光热转换效率、太阳能利用率和系统稳定性。本文选择了Cs0.32WO3（铯钨青铜）、CuS（硫化铜）和Zn S（硫化锌）半导体材料作为原料合成了Cs0.32WO3/CuS、Cs0.32WO3/CuxS和Cs0.32WO3/CuS-Zn S异质结构,并通过微观形貌、孔结构调整和控制化学键种类与数量等手段优化了太阳能驱动界面水蒸发系统的光热性能。同时,通过对余热和水伏的利用,实现了蒸发和发电的联产。主要研究内容如下: （1）经过调控形貌结构,我们制备了Cs0.32WO3/CuS纳米异质结,并将其添加到纤维素基混合水凝胶中构建成为多功能蒸发器。该蒸发器实现了高效的海水蒸发(4.22 kg m-2 h-1,252.4%)、有机污染物的光降解（去除率≈99%）和超高的温差发电性能(4.85 W m-2)。 （2）通过高温煅烧法控制Cs0.32WO3/CuxS的缺陷,将高导电性石墨烯和Cs0.32WO3/CuxS纳米异质结集成到棉纤维基体中,构建了蒸发-水伏发电系统。该装置在保持稳定的发电开路电压（0.48 V）的同时实现了超高的蒸发率(16.4kg m-2 h-1),还能串联电化学海水淡化装置实现清洁水和盐矿收集。 （3）通过一步水热法成功制备了具有高光热转换效应的Cs0.32WO3/CuS-Zn S三元纳米异质结。将其负载到PVA-SAP水凝胶中,构筑了Cs0.32WO3/CuS-Zn S蒸发系统,并实现了无风的蒸发率(3.05 kg m-2 h-1)。同时,通过调控蒸发时的风速来研究蒸汽溢出机理,从而进一步提升了蒸发器的蒸发性能(10.38kg m-2 h-1)。 本文研究为解决淡水短缺和能源危机提供了前景广阔的解决方案。

关键词： 魔芋胶   水合性质   微观结构   溶胀性   粉体性质   可压性   缓释片  

摘要： 魔芋胶又称魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan,KGM),在生产端,因其固化的生产工艺,常常具有特定物性;而在应用端,不同应用场景下需要则可能很大不同,KGM特定物性难以满足多样化生产需求。开发一种现有设备能够满足、成本低、绿色安全的简单调控策略,可望为不同场景下的应用提供极大便利。基于有限水分润涨-脱除过程可能产生显著影响的假设,瞄准作为高膳食纤维压片材料这一应用场景,本论文系统研究了水分调节、(组合)干燥处理及水分转换点对KGM微结构及关键物性的影响,并选择最优处理的KGM样品作为骨架材料制备缓释片,评价缓释效果。主要的研究内容及结果如下: 1、层层递进探究了四种调控方法对KGM水合性质、溶胀性质及微观形貌的影响。水分调节与三种干燥方式(37.80%水分含量固定)处理增加KGM表面的粗糙、褶皱程度,真空冷冻干燥(VFD)处理后结构更为疏松,显著提高了溶胀速率和吸水膨胀力。进一步探究了组合干燥处理的可能效果,发现组合干燥处理后,KGM的微观形貌变化同干燥方式且各处理组之间差异较小,但真空干燥(VD)/VFD联合处理后KGM的水合性质提高且溶胀速率未显著变化;水分转换点测定结果表明随着水分转换点的提前,KGM表面的疏松程度增加,VD/VFD(17/2 h)实现了水合及溶胀性质的综合优化,证明有限水分润涨-脱除处理使KGM的物性变化,可满足高持水力和膨胀力魔芋胶粒的应用需求。 2、探究了“有限水分润涨-脱除”调控方法对KGM粉体性质的影响。水分调节、干燥处理及水分转换点处理均显著降低了KGM的振实密度,增加孔隙率,粉体性质改善。进一步以Kawakita方程和TS-压力变化曲线表征KGM的可压性,发现54.04%水分处理组的可压性最好。证明该方法同样可以应用于改善KGM的粉体性质和可压性,有利于高含量KGM饱腹代餐片等产品的应用开发。 3、以5-ASA为模型药物,以最优处理组作为骨架材料,探究缓释片的缓释效果及释药机制。结果表明所制备的缓释片接触水后瞬间吸水膨胀后逐渐溶蚀,但与对照组相比,54.04%处理组所制备的片剂纵向尺寸变化小。5-ASA以Fick扩散机制释放,KGM具有一定缓释效果,其他多糖与其复配能提高缓释效果,KGM与XG配比为3:2时缓释效果最好,最具有肠道递送的潜力。

关键词： ZrNiSn   掺杂   纳米析出相   晶格热导率   热电性能  

摘要： Half-Heusler（HH）化合物具有良好的力学性能和高温化学稳定性,且组成元素成本低廉、无毒无污染,是一种环保的可持续发展热电材料。其中,ZrNiSn基HH化合物通常具有较高的塞贝克系数以及功率因子,然而其本征晶格热导率高,限制了其热电优值（ZT）的进一步提升。目前,普遍认为Zr1-xHfxNiSn1-ySby体系是性能最为优异的N型HH热电材料体系,通过在Sn位进行少量Sb掺杂可以有效提升电导率,但Sb掺杂对降低ZrNiSn晶格热导率和抑制双极热导率的效果不显著,且其制备过程中Sb也易挥发。因此,寻求更优的掺杂剂替代Sb元素,在提升ZrNiSn基HH化合物电导率的同时降低其晶格热导率是研究的难点之一。在Zr1-xHfxNiSn1-ySby体系中通过在Zr位进行大量的Hf替代可以有效降低晶格热导率。然而,该体系中Hf元素的使用量较高（0.4～0.7）,使其生产成本较高,因此在减少Hf的使用量的同时提升其ZT值有望使其更具有商业化应用前景。通常,在ZrNiSn热电材料中添加过量的Ni形成ZrNi2Sn full-Heusler（FH）相能够有效提升其热电优值,但FH第二相的大小和分布不易控制,使ZrNiSn基HH化合物的ZT值随着Ni含量的增加呈现出不规律的变化趋势。因此,寻求大小均一、分布可控且易于制备的第二相是提升ZrNiSn基HH化合物热电性能的另外一个研究难点。本文针对上述难点对ZrNiSn基化合物开展研究,主要研究内容及结论如下: 为了寻求更优的掺杂剂,在提升ZrNiSn电导率的同时优化其热导率,本文采用Nb元素对ZrNiSn中的Zr位进行施主掺杂。研究结果表明,Nb掺杂可以使ZrNiSn基化合物的载流子浓度得到大幅提升,从而提高电导率使得功率因子得到优化。而且,Nb掺杂可以有效散射声子从而降低晶格热导率。此外,Nb掺杂也能有效抑制ZrNiSn基热电材料的双极热导率。结合XRD、EPMA、EDS、热电性能等实验结果分析,确定了Nb在ZrNiSn基体中的最优化掺杂含量为x=0.04。在1123 K时,电导率从未掺杂的9.74×10～4 S·m-1提升至18.22×10～4 S·m-1,晶格热导率降低至2.58 W·m-1·K-1,最终在1123K时使Zr0.96Nb0.04NiSn样品的ZT值提升至0.89。 针对Zr1-xHfxNiSn1-ySby体系中Hf使用量较高（0.4～0.7）的难题,本文以热电性能最优的Zr0.96Nb0.04NiSn样品为基础,在Zr位进一步进行Hf替代来降低晶格热导率。实验结果表明,由于镧系收缩效应,同族元素Hf替代可起到大幅降低晶格热导率的作用。此外,Nb掺杂结合Hf替代能够在ZrNiSn基化合物中引入多尺度散射中心,散射全频声子,大幅降低晶格热导率并提高电导率。当Hf替代含量为0.3时,在1123 K时,Zr0.66Hf0.3Nb0.04NiSn样品的电导率提升至18.64×10～4 S·m-1,晶格热导率降低至1.8 W·m-1·K-1,最高ZT值可达1.06,比未掺杂ZrNiSn基体提高了～77%。与目前常见的Hf替代量（0.4～0.7）样品相比,该方法能够将Hf的使用量降低至0.3,大幅减少了Hf的使用量。此外,Nb掺杂和Hf替代还可以显著提升ZrNiSn基化合物的力学性能,为其商业化应用提供了有力的竞争力。 针对在ZrNiSn中难于控制第二相大小和形貌这一难题,本文通过在ZrNiSn中添加过量的Zr,制备了具有大小和形貌可控的原位自生纳米析出相的Zr1+xNiSn样品。采用XRD和HAADF-STEM等测试手段对Zr1+xNiSn样品进行微观组织及结构分析发现,当Zr过量时,在ZrNiSn基体中形成了具有规则六边形的富Zr纳米析出相,且与ZrNiSn基体存在界面共格关系,在不影响样品塞贝克系数的同时提高了电导率并降低了热导率。采用第一性原理计算了在ZrNiSn基体中引入富Zr纳米析出相后的能带结构,结果表明,富Zr纳米析出相的引入能够减小ZrNiSn基化合物的能带带隙并产生额外的间隙态,使载流子浓度升高从而优化电导率。此外,引入富Zr纳米析出相还能够有效地增强中频声子散射,大幅降低热导率,在1023 K时使Zr1.03NiSn样品的总热导率降低至5.26 W·m-1·K-1。由于富Zr纳米析出相能够有效解耦ZrNiSn基热电材料的塞贝克系数、电导率和热导率之间的耦合作用,在973 K其最高ZT值提升至0.86。

摘要： Ⅲ-nitride materials are of great importance in the development of modern optoelectronics, but they have been limited over years by low light utilization rate and high dislocation densities in heteroepitaxial films grown on foreign substrate with limited refractive index contrast and large lattice mismatches. Here, we demonstrate a paradigm of high-throughput manufacturing bioinspired microstructures on warped substrates by flexible nanoimprint lithography for promoting the light extraction capability. We design a flexible nanoimprinting mold of copolymer and a two-step etching process that enable high-efficiency fabrication of nanoimprinted compound-eye-like Al;2;O;3;microstructure（NCAM） and nanoimprinted compound-eye-like SiO;2;microstructure（NCSM） template, achieving a 6.4-fold increase in throughput and 25% savings in economic costs over stepper projection lithography. Compared to NCAM template,we find that the NCSM template can not only improve the light extraction capability, but also modulate the morphology of AlN nucleation layer and reduce the formation of misoriented GaN grains on the inclined sidewall of microstructures, which suppresses the dislocations generated during coalescence, resulting in40% reduction in dislocation density. This study provides a low-cost, high-quality, and high-throughput solution for manufacturing microstructures on warped surfaces of Ⅲ-nitride optoelectronic devices.