超材料梁的双阶耦合带隙调控设计与宽带减振特性

局域共振带隙和Bragg带隙可同时存在于超材料梁中,利用两种带隙之间的相互耦合效应可以实现超宽耦合带隙设计,在宽带减振领域极具应用潜力.以往研究通常考虑单振子超材料梁的单阶耦合带隙设计,因而只能实现单阶的超宽耦合带隙,无法满足双目标或多目标频带的宽带减振需求.为此,本文开展了双振子超材料梁的双阶耦合带隙调控设计研究,提出了一种实现双阶耦合宽带隙的设计方法,分析了所设计双阶耦合带隙相比传统单阶耦合带隙的带宽优势,并探究了双振子质量分配比对双阶耦合带隙总宽度的影响,进一步设计出最优的质量分配比,使得实现的双阶耦合带隙的总宽度最宽.此外,还采用谱元法研究了基于双阶耦合带隙设计的双振子超材料梁的减振特性,通过与有限元法进行对比,验证了谱元法的准确性,研究表明基于双阶耦合带隙设计可以实现两个宽频带范围的高效减振.

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。

分数阶衍射蜂窝晶格中带隙涡旋孤子的传输与控制

基于分数阶非线性薛定谔方程,研究分数阶衍射效应下蜂窝晶格中带隙涡旋光孤子的存在性与传输特性.首先采用平面波展开法得到蜂窝晶格能带结构,其次在带隙结构中分别采用改进的平方算子迭代法、分步傅里叶法和傅里叶配置法研究含有蜂窝晶格势的分数阶非线性薛定谔方程中带隙涡旋孤子的模式及其传输特性.研究结果发现带隙涡旋孤子的传输特性受Lévy指数和传播常数的影响.在稳定区间,带隙涡旋孤子可以稳定传输,而在非稳定区间,带隙涡旋孤子会随着传输距离的增加而逐渐汇聚,失去环状结构演变为基孤子.且Lévy指数越大,带隙涡旋孤子能够稳定传输的距离越长,功率越低.此外,相邻晶格同相位两个带隙涡旋孤子与旁瓣能量相叠加,反相位两带隙涡旋孤子与旁瓣能量相抵消,传输过程中逐渐失去环状结构,演化为类偶极子模式,且受方位角调制影响而周期性旋转.在非相邻晶格处两带隙涡旋孤子,由于旁瓣影响较小,带隙涡旋孤子在传输过程中能较好地保持环状结构.

一种低温漂低功耗的带隙基准电压源设计

为了提高DC-DC转换器的性能,提出了一种电压带隙基准。通过调节参数抵消掉两路电流的一阶温度项,得到了只具有常数项和高阶温度项的电流,从而在输出电阻上转化为电压补偿三极管的高阶温度项,进而使得带隙具有较低的温度系数。之后在输出端加上RC滤波器,使得高频段的电源抑制比得到提升。同时为了探索带隙在低功耗下的工作特性,几乎将所有MOS管置于亚阈值区,达到降低静态电流的效果。基于TSMC 0.18μm CMOS工艺完成了电路的设计与仿真,结果表明,在1.8 V的电源电压下,带隙输出为1.256 V;在-40~140℃的变化范围内,温度系数为6.3×10^(-6)℃^(-1);通过增加RC滤波器,高频电源抑制比为-65 dB@10 MHz;而且整个带隙的静态电流仅有6.2μA。

一种新型带曲率补偿的带隙基准

针对传统带隙基准存在温度漂移大以及电源抑制比低的问题,提出了一种新型的带曲率补偿的带隙基准电压源。采用基极电流补偿以及曲率补偿技术对传统带隙基准结构进行改进。设计了低失配改进电路、低温漂改进以及启动电路等。利用共源共栅电流镜技术和负反馈网络保证带隙基准输出电压,极大程度降低了运放失调电压对带隙基准电压的干扰,实现了低温漂特性。基于东部高科0.18μm BCD工艺,在Cadence Spectre下进行仿真。仿真结果表明:该带隙基准电路在-40~150℃温度范围内,输入电压为5 V,输出电压稳定在1.192 V;温度系数为4.84×10^(-6)/℃;在低频时电源抑制比为-78 dB。

PEG含量对多孔膜光学带隙及激光损伤特性的影响

采用溶胶凝胶技术结合旋涂法,在石英基底及Si基底上分别制备了孔隙率不同的TiO_(2)和SiO_(2)薄膜,并对两者的光学及激光损伤特性进行了研究。根据透射光谱曲线计算出薄膜的光学带隙,发现光学带隙随着孔隙率的增大而增大,TiO_(2)薄膜的光学带隙大小为3.75 eV~3.97 eV,SiO_(2)薄膜的光学带隙大小为3.52 eV~3.78 eV。椭偏测量结果表明,当聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)质量分数从0、0.8%、4.0%提高至8.0%时,在波长1064 nm处,TiO_(2)薄膜的孔隙率从11.5%、14.1%、30.9%增大至38.7%,折射率从2.0635、2.0165、1.7481降低至1.6409;SiO_(2)薄膜的孔隙率从4.04%、4.6%、5.7%提升至13.9%,折射率从1.4386、1.4358、1.4204降低至1.3879。除PEG质量分数为0.8%的TiO_(2)薄膜外,所有TiO_(2)和SiO_(2)薄膜样品的消光系数均优于10-3,说明薄膜的吸收较小。薄膜的激光损伤阈值(laser induced damage threshold,LIDT)受孔隙率的影响较大,孔隙率越大,TiO_(2)薄膜的激光损伤阈值越高,其值最高可达16.7 J/cm~2;而SiO_(2)薄膜的激光损伤阈值较未添加PEG的激光损伤阈值并未提高,当PEG质量分数从0.8%增加到8.0%时,SiO_(2)薄膜的激光损伤阈值提高了1.9 J/cm~2。总而言之,提高孔隙率有助于提高薄膜的抗激光损伤性能。

窄带隙铁酸铋的优化制备及其压电光催化性能

针对光催化反应过程中光生电子与空穴复合率高、可见光谱吸收利用率低等问题,利用水热法合成具有较窄带隙的钙钛矿型铁酸铋(BiFeO_(3))。研究结果表明:在超声与光照的协同作用下,反应原料中NaOH浓度为8 mol/L时合成的BiFeO_(3)样品的性能最佳,在15 min内对靛蓝胭脂红染料的降解率达97.6%,拟合得到的一级反应速率常数为0.2036 min^(−1),其原因是其较窄的能带隙导致电子跃迁能量阈值较低。自由基捕获实验验证了压电光催化的反应机理,并验证了BiFeO_(3)产生的压电场促进光催化反应进程的耦合效应。

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。

体硅CMOS工艺下一种带隙基准的单粒子辐射特性分析

为了分析带隙基准(bandgap reference,BGR)在太空环境等极端条件下的单粒子辐射特性,分别在65 nm和28 nm体硅CMOS工艺下设计实现了一款BGR试验芯片,并采用脉冲激光单粒子模拟试验研究了其单粒子辐射特性。试验结果发现,当脉冲激光能量足够高时,BGR的输出电压显著增加,且退火后电压不能恢复,表明BGR发生了单粒子硬损伤(single-event hard damage,SHD),进一步的试验研究证明BGR中的三极管是诱发SHD的敏感器件。该研究为在体硅CMOS工艺下对BGR进行抗SHD加固设计提供了重要理论参考。

光子带隙光纤背向散射次波建模及实验验证

光子带隙光纤有着独特的结构形式、传输介质和导光机制,这使其具有传统光纤无法比拟的优点,是未来光纤陀螺的理想选择。但光子带隙光纤粗糙的纤芯内壁导致其产生强烈的背向散射次波,会使光子带隙光纤陀螺产生额外的非互易误差。为了定量分析光子带隙光纤背向散射次波强度大小,论文基于电偶极子辐射理论建立了一种简单的光子带隙光纤背向散射次波理论模型。通过聚焦离子束微纳加工法和原子力显微镜测量得到了准确的纤芯内壁表面形貌功率谱密度,进而计算得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数理论值为2.61×10^(-9)/mm。通过光频域背向反射散射仪得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数测量值为~1.82×10^(-9)/mm,初步验证了背向散射次波模型的正确性,为背向散射次波抑制技术研究奠定了基础。

三维周期结构波阻板的带隙特性研究

波阻板(wave impeding block,简称WIB)常被用于动力机器、轨道交通、建筑施工等振源产生的振动污染控制。但波阻板受土层截止频率的制约,隔振频带窄且无法对特定频率范围进行针对性的振动控制,根据声子晶体,发展了一种三维周期结构波阻板(periodic structural WIB,简称PSWIB)。采用COMSOL有限元分别计算了散射体为正方体及球体时三维周期结构波阻板的带隙,讨论了结构、材料参数等因素对带隙特性的影响,并进行了正交试验优化设计。理论和数值计算均表明:三维有限周期结构波阻板所得衰减区与无限周期波阻板带隙范围一致,具有带隙性,振动衰减区内最大振幅衰减可达54 dB。与传统波阻板相比,三维周期结构波阻板拓宽了隔振频带,突破了截止频率的制约,并可依据振源特性设计三维周期结构波阻板材料参数满足对目标频率振动隔离的要求。

Ge_(20)Se_(80-x)Te_(x)玻璃网络结构演变及理论带隙-玻璃性能评价

开发特殊性能红外材料是目前提升红外光学系统性能的关键,硫系玻璃作为组分-性能可调的红外材料无疑成为了热门选项.Se基与Te基玻璃涵盖中波、长波红外窗口,是最典型的红外器件应用材料之一,通过对Ge_(20)Se_(80–x)Te_(x)玻璃体系的结构与性能分析,阐述了Te含量对该玻璃体系结构与性能演变的规律.随着Te含量的增大,玻璃转变温度(Tg)受网络结构及平均键能的影响先升高后降低,密度与折射率近似线性的梯度增高,阿贝数逐渐增大,而维氏硬度几乎不随Te含量的变化而变化,断裂韧性随Te含量的增大而降低.针对平均配位数无法评价两种及以上同族元素组成的玻璃体系问题,成功建立了理论带隙-玻璃性能评价体系,并对Ge_(20)Se_(80–x)Te_(x)玻璃体系的密度、折射率、阿贝数、断裂韧性等参数与理论带隙建立了函数关系,该体系可用于快速评估玻璃组分与性能.

基于区域分解及零空间技术的周期排桩结构带隙计算方法与特性研究

针对传统能量法求解周期排桩结构带隙时位移型函数构造复杂、计算成本高、因桩土参数畸变而导致的波形拟合困难等问题,基于区域分解思路对传统能量法进行改进,将桩与土分别在独立坐标系下建模,克服桩土参数畸变问题;再结合零空间技术处理各类边界约束,克服了型函数构造中边界依赖问题,且大幅提高了计算效率。研究结果表明,相较于波数有限元法,该方法不仅同样准确、可靠,还具有效率优势。此外,土体弹性模量与排桩填充率是影响带隙的主要因素;相较于正方形布置的周期排桩,六边形布置时可以获得较高的起始频率、截止频率和带隙宽度。

一种精确分段补偿的带隙基准电压源设计

针对传统的带隙基准电压的温漂系数较高的问题,设计了一种低温漂系数的带隙基准电压源。分别引入正负温度系数电流在高温和低温阶段对带隙基准电压进行线性补偿。NPN管作为开关管,通过工作在线性区的NMOS管作为等效电阻将正负温度系数电流转换成基极电压,控制NPN管导通和截止,进而控制开始和结束补偿的温度,实现精确补偿。基于SMIC 0.18μm工艺通过Cadence进行仿真。仿真结果为:在输入电压5 V时,温度在-40~125℃内,输出电压经过精确补偿后,温漂系数从16.48×10^(-6)/℃下降到0.829×10^(-6)/℃。输出基准电压最大仅变化152μV。在室温下,低频时电源抑制比为73.7 dB,电压源可以在2.8~7.5 V稳定工作。

非层状二维CdSe的制备及厚度对带隙的影响

二维半导体材料的天然带隙有望弥补石墨烯的零带隙缺陷,打破后者在场效应晶体管、开关器件、逻辑电路等领域的应用瓶颈. 相较于层状半导体材料,非层状半导体材料多以较强的离子键/共价键结合,且各向同性,因此要获取其二维结构存在一定挑战. 本论文通过化学气相沉积法实现了非层状CdSe在云母衬底上的二维各向异性生长. 详细表征了二维CdSe的微观形貌、晶体结构和光学特性等. 结果表明,样品具有显著的光致发光 (PL )效应,说明厚度减薄至纳米级时不会破坏CdSe的直接带隙属性. 此外,随着厚度减小,样品的PL峰逐渐蓝移. 为了进一步解释该现象,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了不同厚度的CdSe的能带结构,结果显示均为直接带隙,且随厚度减小,带隙值增大,与实验现象吻合. 由此可知,通过生长参数调控二维CdSe的厚度,即可实现对其带隙的有效调控,这对相关光电器件的性能提升具有指导意义.

超薄非晶氧化物半导体薄膜的制备及光学带隙调控综合实验设计

为提升学生创新素养,通过将科研内容融入实验教学,设计了超薄非晶氧化物半导体薄膜的制备及光学带隙调控实验。采用磁控溅射的方法在石英衬底上制备非晶铟锡氧化物半导体薄膜,通过材料表征研究厚度对薄膜晶体结构、表面形貌和光学特性的影响。实验结果表明,薄膜厚度影响成膜的表面粗糙度,同时薄膜的光学带隙随膜厚增加而减小。该创新实验涵盖了材料制备、表征及机理分析,涉及半导体、材料学、光电子等多个学科领域,且结合实际科研内容,提高了学生的科研积极性,有助于培养学生创新思维,提高理论与实践相结合的能力。

一维周期基础的带隙解析解及其优化设计研究

周期结构的带隙特征为土木工程隔震领域提供了新思路,其中一维周期基础结构因其构造简单且经济适用而倍受关注。本文通过研究一维周期基础结构的振动特性,推导了用于计算一维橡胶-混凝土周期基础带隙的近似解析解,并在此基础上提出了基于上部结构共振区的一维橡胶-混凝土周期基础优化设计方法。频域和时域数值算例表明,由该优化方法所设计的周期基础可保证其上部结构在一个宽且连续的频段内均有较好的减震效果。

局域共振超材料表面波屏障带隙特性与隔振性能

为有效解决轨道交通运营引发的地面振动问题,基于声学超材料概念提出一种局域共振超材料表面波屏障(locally resonant metamaterial surface wave barrier,简称LRMB)隔振方法,并采用混凝土和橡胶垫层构造出屏障结构。根据半无限空间弹性动力学理论,推导LRMB带隙计算的解析式,分析橡胶垫、混凝土参数对LRMB带隙特性的影响规律。基于轨道交通地面振动实测数据,探讨LRMB的隔振效果。研究结果表明:LRMB表面波带隙产生主要与其竖向振动有关,基于该模式建立的带隙计算方法是准确的;LRMB橡胶垫厚度增大,带隙起始频率降低,带隙宽度增大;LRMB橡胶垫宽度增大,带隙起始频率升高,带隙宽度减小;LRMB混凝土质量增大,带隙起始频率降低,带隙宽度增大;LRMB原胞数量增多,隔振效率提升,隔振效率达到20~25 dB;以济南轨道交通1号线工程为例,采用LRMB后地面振动衰减可达70%~80%,验证了LRMB的良好隔振性能。

一种采用分段温度补偿的低温漂带隙基准源

提出了一款宽温度范围、低温漂系数的带隙基准源。以Banba结构的带隙基准源作为核心电路,产生开口向下的抛物线状输出基准电压,将抛物线顶点向高温段移动,使输出基准电压的高温段趋于平缓,利用分段温度补偿技术对低温段进行曲率补偿,补偿电流由不同温度系数的电流相减产生,有效降低了温漂系数,并拓宽了带隙基准源工作的温度范围。在0.18μm的标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺下进行电路性能验证,仿真结果表明,在-50~150℃的温度范围内,提出的带隙基准源的温漂系数为0.65 ppm/℃,在1.8 V的电源电压下输出电压为760 mV,版图面积仅为0.01 mm^(2)。

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。