新型二维声子晶体带隙特性及调控方法研究

为拓宽声子晶体弹性波带隙,提出一种关于基体双侧对称的声子晶体结构模型.采用有限元法计算了该声子晶体的能带结构和本征模态,基于局域共振机理深入分析了其带隙的形成机理,通过改变几何参数及施加等轴预拉伸应变的方法对该声子晶体的带隙进行被动调控与主动调控.仿真结果表明:所提声子晶体结构基体中的长波行波与振子的谐振相互耦合作用产生一条局域共振带隙,通过优化几何参数可以获得起始频率更低的宽频带隙,对结构施加等轴预拉伸应变可以有效拓宽带隙且带隙宽度随着预拉伸应变的增大而变宽.研究结果为声子晶体的带隙主动调控提供了方案,为结构减振降噪提供了新思路.

理论探索二维X_(2)UO_(4)(X=K,Rb,Cs)的力学特征、电子结构和声子输运特征

本文用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三种建议的二维材料X_(2)UO_(4)(X=K,Rb,Cs)的稳定性、弹性、电子结构和声子振动特性.计算结果显示,三种材料同时具备较好的热力学、动力学和机械稳定性.电子结构表明,三种材料属于宽禁带间接半导体,其计算能隙分别是3.90、3.79和3.42 eV,并且在300 K时有着71.31-174.23 cm^(2)/Vs的电子迁移率.声子输运特性表明,三种材料的声子色散均没有虚频出现,声学模和低频光学模呈现强烈耦合,且有着低频率low-lying声子,这使得材料具备很强的声子非谐效应、低声子群速度和强声子散射率,从而表现出很低晶格热导率,在300 K温度下时仅为0.16-0.19 W/mK.这些特性表明,二维X_(2)UO_(4)(X=K,Rb,Cs)在纳米电子和热电器件领域具备应用潜力.

六方氮化硼声子激元增强及调控石墨烯中红外波段吸收机理研究

石墨烯自被成功制备以来,就以其优异的材料性能在众多领域受到了广泛关注,特别是其具备快速光电响应、宽光谱吸收、尺寸优势等特性,是制备微纳光电探测器的理想材料之一。目前,石墨烯光电探测器已经实现,但基于传统结构的石墨烯探测器存在光吸收效率低、光电响应差的问题。利用等离激元实现光吸收增强是一种可行的技术路线,但其存在微纳结构过于复杂、成本过高、性能不足等问题。本文提出了一种基于Au光栅/石墨烯/h-BN/SiO_(2)的异质结构,利用h-BN与红外光相互作用产生的声子极化激元效应,将红外光局域在石墨烯中,增强石墨烯与异质结构整体的吸收率;同时,石墨烯与h-BN的晶格常数相近,该异质结构可最大程度地发挥石墨烯优异的光电性能。通过有限元(Finite element method,FEM)方法对吸收率和电磁场分布进行分析,发现在入射光频率为1550 cm^(-1)时,Au光栅/石墨烯/h-BN/SiO_(2)混合结构石墨烯层的功率耗散密度是Au光栅/石墨烯/SiO_(2)对照组结构的4.4倍,光吸收率是对照组的6.5倍。同时,通过控制h-BN的厚度、Au电极的厚度及栅宽可以实现对吸收强度的调控。该研究为实现基于石墨烯的中红外光电探测器提供了理论依据。

Au-TiO_(2)光电极界面声子热输运特性的分子动力学模拟

为了研究光电分解水体系中具有热等离激元效应的Au-TiO_(2)电极的界面热输运特性,本文采用非平衡分子动力学方法研究了温度、界面耦合强度以及添加石墨烯层对Au-TiO_(2)界面热导的影响,并通过声子态密度对界面热导的变化进行了分析.研究结果表明,当体系温度从300 K增加到800 K时,Au-TiO_(2)界面导热系数增加了78.55%,这与更多的低频声子参与界面热输运相关,更多的热量传递到TiO_(2)上可促进界面反应.随着Au与TiO_(2)界面耦合强度的增大,界面热导率可通过TiO_(2)和Au的声子态密度的重叠程度得到优化.添加单层石墨烯可提高Au-TiO_(2)结构的界面热导,其中0—30 THz的低频区声子对导热贡献最大,但添加2层和3层石墨烯,石墨烯层与层之间的相互作用力阻碍了界面传热,且在低频区的声子数量有所降低,不利于热量在Au和TiO_(2)之间进行传递.

基于局域共振型声子晶体塔筒结构海上风机减振特性研究

针对海上风机的振动控制问题,提出一种局域共振型声子晶体塔筒结构,基于周期结构的Bloch定理,采用有限元法计算该结构的能带结构、特征模态所对应的位移场以及相应有限周期声子晶体塔筒结构的振动传输曲线,对其展现出的带隙特性进行分析。基于局域共振带隙的形成,研究声子晶体塔筒结构的振动控制问题,可将其应用于不同海洋环境中海上风机特定频率的减振。得出声子晶体塔筒结构在xy平面内与z方向上受激励时的振动传输曲线,选取两者在特定频率下的结构位移图分别进行分析,计算出非理想化声子晶体塔筒结构在xy平面内与z方向上受激励时的振动传输曲线并加以对比。研究各参数对声子晶体塔筒结构带隙衰减频段的影响规律,通过合理调整设计参数,可以实现结构特定范围内的低频隔振,证明其在复杂海洋环境中海上风机减振方面具有很好的应用前景。

沙漏型声子晶体的中低频隔声减振性能研究

针对机械工业装备上难以解决的低频振动与噪声问题,提出一种小尺寸、轻量化的新型声子晶体结构,研究其隔声减振特性,通过有限元仿真计算该声子晶体无限周期排列时的隔声量、能带结构以及有限周期排列时的振动响应,分析该结构的隔声机理及减振特性,并研究了关键几何参数、散射体材料和声波入射角度对该结构的隔声特性的影响规律,以及板结构减振频带的拓宽方法.结果表明:该声子晶体结构在1 000 Hz以下频率范围内具有优越的隔声减振性能,通过将不同参数的结构进行组合的方法可以拓宽声子晶体板的减振频带,为工程结构的中低频隔声减振及声子晶体的应用提供了新的思路与可行性参考.

基于声子晶体的周期性基础机器振动波衰减性能分析

文章利用COMSOL多物理场程序计算不同参数周期性基础的衰减域特性,探讨周期性基础对机器振动波的衰减和阻隔作用。利用商业有限元ABAQUS软件建立周期性基础机器振动有限元模型,对不同厚度、材料的周期性基础模型进行频域分析,得到周期性基础的频散关系;通过时程分析研究周期性基础机器的动力响应和振动衰减效果。结果表明:当输入波的频率处于周期性基础频率带隙内时,可以有效地减小上部机器的动力响应;当输入波的主频处于周期性基础频率带隙外时,无法减小上部机器的动力响应;不同厚度和材料的周期性基础的带隙以及对于上部机器振动的减振效果不同。研究结果为周期性基础在工业厂房机器减振中的应用提供了新的思路和方法。

多重谐振水泥基声子晶体带隙特性研究

为了拓宽混凝土超材料弹性波衰减带的范围,本工作基于局域共振理论提出了一种多重谐振水泥基声子晶体。利用有限元方法,计算了多重谐振水泥基声子晶体的能带结构、本征模态和衰减特性,研究了带隙产生机理和影响因素,根据质量-弹簧系统推导了带隙估计式,分析了混凝土超材料充填层结构的减振性能。结果表明:多重谐振水泥基声子晶体在1~400 Hz频段内具有两个带隙,其中带隙的起始和截止频率由散射体Ⅰ、散射体Ⅱ和水泥砂浆基体的振动模式决定;包裹层的弹性模量、泊松比以及厚度是影响带隙的主要因素;由多重谐振水泥基声子晶体组成的混凝土超材料充填层结构在1~400 Hz频段内的加速度级均小于普通自密实混凝土充填层结构,特别是在带隙频段范围内振动降低了6~9 dB。

基于声子晶体的高速列车地板支撑层隔声研究

随着高速列车运营速度不断提高,轨道交通产生的振动噪声会严重影响列车的车内声环境,进而降低乘坐舒适性,因此针对列车噪声源部位的车体隔声设计至关重要。目前的隔声措施能够有效控制车内中高频噪声,而对于低频噪声的抑制效果还有待进一步提升。声子晶体是一种具有弹性波带隙的周期性结构材料,该结构不需要大尺寸即可在局域共振作用下形成低频带隙,进而抑制弹性波的传播从而起到低频降噪作用。基于声子晶体周期性理论,以车辆转向架部位地板的木骨支撑层为对象,研究声子晶体在木骨支撑层隔声中的应用,系统分析声子晶体结构的带隙特性和隔声特性以及基于声子晶体结构的支撑层隔声性能。研究结果表明:通过改变结构形式及其参数可实现对于声子晶体结构的带隙形成频带及其隔声特性的人为设计和控制;以高速列车地板中的木骨结构为对象,结合声子晶体理论将其设计为木骨和声子晶体组合结构形式,不仅能够保持声子晶体在0~220 Hz低频段和620~710 Hz频段优越的隔声性能,同时可极大提升220~620 Hz频段的隔声性能;既维持该层结构的支撑作用,又能很好提升隔声性能,在高速列车地板设计中具有很强的有效性和适用性。

热载流子多结太阳能电池CdSe/CdS核壳量子点和纳米片的声子瓶颈效应机理

热载流子多结太阳能电池(HCMJSC)是热载流子及叠层电池概念相结合而提出的一种较有前景的第三代太阳能电池之一,其理论效率在一个标准太阳条件(即1000 W/m 2,25℃)下将高于65%,远高于32%的单节硅基电池极限效率。该型电池主要包括一个宽带隙的顶结薄膜和一个适中带隙的厚底结基底,以分别高效吸收利用高能和低能光子。其广泛应用于光电器件的宽带隙CdSe/CdS低维材料体系(如量子点、纳米片等)有望成为顶结薄膜的合适候选材料。然而,该材料体系中的声子瓶颈效应(PBE)机理目前尚不明晰。文章主要研究了CdSe/CdS核壳量子点(QDs)和纳米片(NPLs)中的PBE机理;通过稳态光致发光(SSPL)和皮秒时间分辨尺度光致发光(ps-TRPL)技术,计算该材料体系的热弛豫系数(Q th),从而定量分析激发载流子的弛豫速率,同时阐述了PBE和量子点中常见的俄歇复合之间的耦合关系,最终系统研究了QDs和NPLs中载流子弛豫过程机理,提出HCMJSC的发展路径和建议。

一维合成维度水基声子晶体

水下声学在水下通信、水下定位和导航等方面具有广泛的应用.借助拓扑物理的概念,研究水基声子晶体中的拓扑态为水下声波的创新性调控提供了一种全新的手段,既有基础研究价值,又有重要的应用前景.本文设计了一种一维的双层铁栅水基声子晶体,通过把层间的相对横向平移量等效成一个合成维度,实现了合成二维狄拉克点.相对平移量的改变导致二重简并能带打开带隙.伴随着带隙的打开、闭合以及再次打开,能带发生翻转,也就是发生拓扑相变,从一种能谷相变化到另一种能谷相.在不同能谷相声子晶体构成的界面处,能谷陈数保证界面态的确定性存在.数值仿真与实验测量结果吻合良好,都展示了不同能谷相声子晶体的体能带以及它们之间的界面态色散.本文提出的水基声子晶体结构简单,借助合成维度的概念,为在低维实空间体系中研究高维体系拓扑特性提供了一种有效的途经,有望为拓扑功能性水声器件的设计提供新思路.此外,可以把实空间体系拓展到二维甚至是三维,并引入更多的合成维度,用于研究更高维度体系的拓扑态及其输运特性.

二维半导体的相干声学声子研究进展

飞秒脉冲激光激发固体薄膜材料产生的相干声学声子可以快速无损获取发光材料与器件结构特性,对于光电器件功能界面的无损检测及成像具有重要意义。相较于热弹性机制的传统金属薄膜光声换能器,二维半导体材料具备宽谱吸收、表面原子级平整、层数易控等优良特性。飞秒激光激发二维半导体能原位产生相干声学声子振荡,为进一步发射超快声波脉冲获取界面信息创造了条件,广泛适用于无损评测发光器件的缺陷分布、力学性能和界面品质。本文主要介绍二维半导体中相干声学声子的研究进展,并讨论利用超快光声转换的高穿透深度、高时空分辨测量技术重大的科学意义与社会价值。

基于压电声子晶体板波声场的微粒操控

声镊可以非接触、无损伤地操控微粒,在细胞分离、组织工程、材料组装等领域具有广阔的应用前景.近期有研究利用声人工结构调控声场提升声镊性能,然而,与换能器分离的人工结构导致声镊装置复杂且操控现象不太稳定.本文基于压电声子晶体板调制声场实现对微粒的灵活操控,其主要机制是由压电陶瓷片构成的压电声子晶体板可激发A0模式Lamb波模式和共振周期声场模式,板上微粒在这两个模式中分别受到平行于板面的声停驻力和垂直于板面的声捕获力或声悬浮力,从而实现排列、捕获、悬浮等多种模式的灵活操控.由于压电声子晶体板整合了换能器与声人工结构,该器件为研究高精度、低能耗、紧凑型声镊技术提供了物理基础和实验验证.

复合柱局域共振声子晶体的超宽带隙与可调性研究

局域共振声子晶体因具有良好的低频带隙特性,在低频减振降噪方面具有广泛的应用前景。以设计一种具有超宽带隙的三组元二维复合柱声子晶体结构为目标,该结构由散射体、双包覆层和六棱柱基体板组成,相对应的局域共振单元附加质量比为65.13,利用有限元方法计算该声子晶体板的能带结构、传输损失谱和位移矢量场。结果表明:在0~3000 Hz的频率范围内相对带宽高达162.10%。与方形柱基体板声子晶体相比,所设计的六棱柱基体板声子晶体的第一完全带隙频率更低且第二带隙频率范围更宽。通过优化几何结构、改变材料参数以及引入压电效应等方式,实现对多条完全带隙的调控,并进一步拓宽完全带隙形成超宽带隙。研究结果可为研发可调低频减振降噪产品提供一定的理论参考。

基于FGMs的声子晶体带隙调控及振动特性研究

为抑制舰艇典型板壳结构低频振动,基于局域共振理论,设计了一种悬臂式声子晶体结构,开展了数值计算并揭示带隙发生机理,探究了各尺寸参数对带隙特性的影响。同时基于功能梯度材料(functional gradient materials, FGMs)思想,提出固有频率梯度组合带隙调控方法,可有效拓宽低频带隙范围。最后,设计振动特性试验并分析误差产生的原因。结果表明:悬臂梁边长越长,带隙宽度变窄,悬臂梁宽度及厚度增加,带隙宽度变宽;固有频率梯度组合研究中,当整体固有频率变化率小于8.1%时,带隙范围有效拓宽。当相邻两者固有频率变化率大于12.27%时,可呈现多频带隙特性;增加悬臂梁安装数量可在固有频率梯度组合的基础上进一步拓宽禁带范围,该研究成果可为船舶板壳结构隔振设计提供参考。

基于双层反对称阻尼式声子晶体的双通路宽频带噪声抑制方法研究

针对现有声子晶体模型难以在结构传播与空气传播双通路实现噪声抑制的问题,提出了一种双层反对称阻尼式声子晶体结构,以双层阻尼式声子晶体为单元抑制噪声结构传播,将迷宫型散射体反对称式排列抑制噪声空气传播,实现双通路宽频带降噪。研究基于有限元理论与力声类比法对模型的能带图、传递曲线与吸声系数进行计算,对比分析了吸声性能与传统结构的差异,并通过试验进行验证。研究发现,模型中的双层阻尼—散射体结构可将降噪带宽拓展为传统结构的3.3倍,且同体积附加质量仅为传统结构的53.3%,反对称结构可突破吸声系数瓶颈,实现高效吸声。结果表明该模型可以实现双通道宽频带范围内的噪声控制,并具有轻质化的特点,能很好地补足现有声子晶体模型在宽频带噪声控制领域的短板。

构建2D/3D致密的声子传输网络协同提高微波基板的导热性能

随着“5G”时代的到来和信息技术革命的深入,电子元器件正朝着高集成化、小型化、高功率化和高性能化方向发展,要求器件具有更好的散热性。文中将具有高导热性能的六方氮化硼(h-BN)作为2D陶瓷填料,并与3D形貌的SiO_(2)协同引入到聚四氟乙烯(PTFE)基微波基板中,二者相互搭接,成功构建了致密的声子传输网络,相较于单一填料,极大地提高了介质层的热导率(由0.6W/(m·K)提升到1.196W/(m·K),提高了99.33%)。与此同时,微波基板仍然保持了PTFE介质层较低的介质损耗、合适的介电常数和较高的剥离强度。当h-BN添加量达到26%时,介质层的热导率达到了1.196W/(m·K),介质损耗因子为0.0008,剥离强度为1.072N/mm。为新型高导热基板介质层的开发提出了一种通过构建2D/3D协同致密声子网络,进而提高基板导热性能的思路。

圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板减振特性分析

针对机械设备中的低频减振问题,提出一种圆柱空腔橡胶层局域共振声子晶体双层板结构,即在双层板间周期性排列具有圆柱空腔的橡胶层和实心散射体振子。首先结合弹性波理论和BLOCH定理,采用有限元方法计算带隙范围并分析弯曲波带隙形成的原理,其次通过单变量和组合变量的方式分析单元参数对带隙的影响规律并依此对单元参数进行调整,使其弯曲波带隙范围为48.52~206.21 Hz,最后通过振动传输特性仿真验证其对弯曲波振动的减振效果。研究表明,圆柱空腔橡胶层双层板式声子晶体可以产生200 Hz以下的弯曲波带隙,且可以通过调整单元参数来使其匹配目标减振频段。声子晶体板的振动传输特性分析和振动位移图验证了其对带隙范围内弯曲波传输的抑制作用,可为基于声子晶体减振的工程应用提供一定的参考。

弹性支撑条件下声子晶体角梁结构振动特性分析研究

为了进一步探究一维声子晶体结构的振动特性,本文开展了弹性支撑条件下一维声子晶体角梁结构弯曲位移的振动特性研究。通过采用有限元分析法,分别对L型和T型声子晶体角梁结构进行模型建立,并对频率范围内的弯曲位移响应曲线进行绘制。同时,对弹性支撑条件、晶格长度、组分比、连接角度以及弹性支撑刚度对不同类型声子晶体角梁结构的带隙影响规律进行了研究。结果表明,弹性支撑刚度对声子晶体角梁结构的第一带隙有着明显的影响。

考虑模糊变量的声子晶体带隙特性研究及优化

针对声子晶体设计中存在模糊变量导致带宽不可靠问题,建立新型二维多组元局域共振型声子晶体,通过数值计算得到带隙曲线并探究带隙产生机制,并基于分析包覆层几何参数和材料参数对带隙影响结果,考虑将环状包覆层材料参数作为模糊变量,几何参数作为设计变量,通过拉丁超立方体抽样进行实验设计建立基于Kriging模型的声子晶体带隙优化模型,利用麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)对Kriging模型进行全局寻优,得到声子晶体最优设计解。结果表明,优化后带隙宽度从101.17 Hz变为224.164 Hz,增大121.5%,且带宽边界均在设计目标范围内,所提出的Kriging带隙优化模型在避免大量数值计算的同时,考虑了模糊变量的影响,具有较高的预测精度和可靠性,为声子晶体设计提供新研究思路。