石墨烯具有单层碳原子平面共轭结构,展现出很多独特的物理、化学性质。通过功能化处理,石墨烯可满足诸多实用领域对材料的特殊要求。本论文借助一系列功能化组装策略,赋予石墨烯组装材料特殊的刺激响应性能,发展出了一系列新型的石墨烯基结构与器件,包括电刺激响应的石墨烯/石墨相氮化碳复合薄膜、多刺激响应的石墨烯/石墨相氮化碳复合纤维和湿气刺激响应的氧化石墨烯组装结构。并将其应用在信息存储、精密传感及微-纳发电等领域。取得研究成果如下:1)电刺激响应的石墨烯/石墨相氮化碳复合薄膜:设计并发展出了石墨烯和石墨相氮化碳复合的方法。利用电化学方法调控石墨烯和石墨相氮化碳间的复合方式,控制“静电作用”与“共轭堆积”两种复合模型在实际复合过程中的贡献比重,以调节石墨烯与石墨相氮化碳间的电子传输行为,并最终实现该复合材料的电刺激响应“电导双稳态”功能。基于这一功能,成功构建了基于全碳材料的高开关比(10~4)柔性信息存储器件。2)多刺激响应的石墨烯/石墨相氮化碳复合纤维:设计并发展出了电化学选择性沉积技术,制备出具有高粗糙度表面和可控含氧程度的石墨烯/石墨相氮化碳复合纤维。所制得的表面粗糙、局部含氧的复合材料可在受力、湿度、温度产生细微变化时呈现不同的电导状态,即,基于多刺激响应的“电导多稳态”功能。并且,借助成果1)中关于电刺激响应“电导双稳态”的研究经验,可进一步通过电刺激放大针对特定外部刺激的响应信号,实现“多刺激可响应,择其一超敏感”的独特传感性能。3)湿气刺激响应的氧化石墨烯组装结构:借助1)、2)中电刺激调控石墨烯材料电导态的研究经验,设计并发展出了湿气(气态水分子)辅助的电化学极化技术,用以精确调节氧化石墨烯组装体结构中的含氧官能团分布,实现了可电离含氧官能团(如:羧基)分布的梯度化。基于这种亲水官能团均匀分布、可电离官能团梯度分布的氧化石墨烯组装体材料,建立了响应于湿气刺激的电动势产生机制模型,并从下列角度对该理论模型进行实验验证:a.基于片层结构相互平行且紧密堆积的氧化石墨烯薄膜,利用湿气辅助的电化学极化技术,构建梯度含氧的氧化石墨烯薄膜,研究极化过程中氧化石墨烯薄膜不同部位的化学组份、微结构变化及薄膜宏观吸水、电导行为的改变,以证实该技术可有效在氧化石墨烯薄膜构建如理论模型中描述的特殊结构。进而研究湿气刺激下电动势的产生及含氧官能团分布对此应激电动势的影响。成功在环境相对湿度变化30%的湿度刺激下将应激电动势优化至约30 mV,并利用人体呼吸所造成的湿度变化,将其用于自供电的呼吸传感器件。b.基于片层结构相互支撑的多孔氧化石墨烯三维组装体,利用湿气辅助的电化学极化技术,构建梯度含氧的氧化石墨烯多孔组装体,研究极化过程中氧化石墨烯多孔组装体不同部位的化学组份、微结构变化及组装体宏观尺寸、厚度和湿气刺激强度对此应激电动势的影响。成功在环境相对湿度变化75%的湿度刺激下将应激电动势优化至近1.5 V,并结合电极封装技术将该材料制成湿气驱动的微型电源器件,将其用于小型发光二极管器件的供电系统。c.基于片层结构高度网络化的氧化石墨烯纳米带组装体薄膜,利用湿气辅助的电化学极化技术,构建梯度含氧的氧化石墨烯多孔组装体,研究极化过程中氧化石墨烯多孔组装体不同部位的化学组份、微结构变化及薄膜从气氛中捕捉水分子过程和离子传输过程对此应激电动势的影响。成功在环境相对湿度变化30%的湿度刺激下,将应激电动势达到约40 mV的响应时间缩短到约80μs,并结合电极印刷技术将该材料用于湿气读取的自供电信息存储器件。