《光电功能材料的设计、制备及其传感应用》

该项目主要围绕光电传感材料的理论设计、实验制备及其在新型传感领域的应用等方面开展研究,以光电功能材料的结构设计-制备工艺-传感应用为研究主线,在传感材料的结构设计与性能仿真、功能陶瓷的制备、光纤光栅传感和微流控生物传感器等方面开展具体研究工作。主要研究成果概括如下:

1.在新型传感材料的构建与仿真设计方面:针对石墨烯材料在传感领域的潜在应用,深入研究石墨烯/介质多层膜的体等离子特性、透射特性及场分布特性等。提出了一种基于介质/石墨烯多层结构的双曲特异材料,发现体等离子体的色散特性可以通过改变石墨烯的费米能级,探索了Otto全反射结构中,由体等离子体共振引起的反射特性及其在可调的光学反射调制器中的应用。采用传输矩阵方法理论上研究了THz波段含石墨烯的一维多层膜的透射特性及场分布特性。.提出了利用相位跳变脉冲来控制高次谐波产生的方法,研究了在相位跳变脉冲驱动下高次谐波谱的特征。提出了在多周期脉冲驱动下获取亚100阿秒脉冲的理论方案。研究了亚周期激光脉冲驱动下高次谐波过程,发现开关项对高次谐波的截止频率、强度、和平台结构有着显著的影响。

2.在新型传感材料的制备与性能表征方面:研究了不同掺杂离子对材料烧结特性、晶体结构、电学性能的影响,定性地给出了制备高质量AgNbO3基无铅反铁电材料的离子选择准则以及掺杂原则。开发了新型AgNbO3基无铅反铁电储能陶瓷,并初步探索了无铅爆电换能材料的组分设计。采用传统固相反应法制备了(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06(Ti1-xTax)O3(BNT-6BT-100xTa)无铅陶瓷,研究了软性掺杂离子Ta5+对BNT-6BT-100xTa陶瓷反铁电性能的影响。随着Ta含量的增加,退极化温度Td向低温方向移动,反铁电相在室温附近越来越稳定;电场强度为60 kV/cm时,电滞回线已接近饱和,最大电致应变量Sm达到3.81‰。随着Ta含量的增加,正、反向转换场强向高场移动。研究了BNT-6BT-100xTa(0.00≤x≤0.02)无铅陶瓷体系中温度诱导的反铁电性能。研究成果为铁电/反铁电陶瓷在高温压电传感器、换能器和位移致动器等领域的应用打下基础。

3.在新型传感器的设计、制备与应用方面:建立了光纤光栅传输光谱特性和传感分析模型,提出了一种长周期光纤光栅多模式传输矩阵算法;设计了一种光纤包层正弦刻蚀结构,改进了啁啾光纤光栅的传输光谱特性,使其具有理想的箱型光谱和平滑的时延曲线。采用微机电加工技术,在微流芯片中制备包裹DNA分子的微量液滴,达到了DNA分子快速杂交的目的。采用基于石墨烯材料的场效应管对DNA分子的杂交进行检测,并利用电场促进杂交的方法,将检测的灵敏度提高到了10fM。

该项目先后获得国家自然科学基金项目3项,省部级项目2项,发表SCI收录论文20余篇,SCI他引150余次,授权发明专利5项,授权软件版权2项。项目组成员获得河南省教育厅学术技术带头人和河南省高校青年骨干教师称号。部分成果获得了焦作市科技进步特等奖、河南省教育厅科技成果壹等奖和河南省自然科学学术论文一等奖等奖项。8篇代表性论文中SCI二区论文5篇,SCI三区论文2篇,SCI四区论文1篇,SCI他引合计55次。

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