人工晶体的微结构调控热输运研究

随着电子工业与能源科学的快速发展,热管理成为微电子、热逻辑器件和热电技术等多个领域关注的重要课题。以半导体产业为例,传统芯片散热技术难以满足功率密度日益增大的芯片散热需求,已经成为限制芯片集成度进一步提高的瓶颈。因此,热输运的研究重点从宏观尺度延伸至微观尺度,并要求人们对热输运机制有更深入理解。本文从热声子的扩散输运、弹道输运等微观机制出发,探讨了材料微结构与热输运之间的关系。实验和理论表明,晶体中各种微结构对热输运过程有着重要的调控作用。本文重点讨论了薄膜体系中的点缺陷与量子点、超晶格、异质结构界面等对热输运的调控作用,并对其中的热输运机制进行了简要分析。尽管各种复杂的器件结构对高效的热管理构成了挑战,但人工微结构也为热输运调控提供了新的机遇。

水声材料声学参数测试技术的进展

水声材料是水下声系统能力形成和发展的基础,其声学参数测试技术是确保水声材料构件功能实现的重要保障,然而目前水声材料构件的测试技术面临着低频拓展及高压拓展等方面带来的技术挑战。水声材料构件的声管测试技术可分为驻波管法、脉冲管法和行波管法,此3种方法在适用性方面相互补充,但存在测试构件尺寸小难以阐明结构的整体特性、构件与管壁间的缝隙造成测量失准的问题。自由场测试技术及压力罐测试技术是大面积水声材料测试的有效手段,但存在测试构件边缘衍射造成测量准确性降低的问题。对目前采用的水声材料测试技术及其研究现状进行了综述,讨论了各类测试技术存在的困难和挑战,并展望了水声材料构件测试技术未来的发展方向。

基于低频吸声超构材料的复合消声器

针对管道内低频噪声难以抑制的问题,基于亥姆霍兹共振腔阵列吸声板和穿孔管消声器组合,设计了一种复合式宽带消声器。首先利用有限元法仿真分析传统穿孔管消声器,发现中低频消声能力较差,通过嵌入亥姆霍兹共振腔阵列吸声板吸收中低频噪声。采用仿真与实验的方式研究吸声板的声学性能:在400∼1000 Hz频段内的平均吸声系数达到了0.88。然后对复合式消声器进行数值模拟及3D打印阻抗管实验测试对比:复合式消声器在400∼1718 Hz频率范围内的平均传递损失为18.15 dB。最终实现了管道内全频带噪声有效控制。

基于液晶功能表面的液滴输运研究

基于液晶开放表面的微流体操纵技术是一种利用微流体学原理和微加工技术,在微纳尺度上对液体进行操纵和控制的方法,对新型微流控平台的开发至关重要。本文通过注液光滑表面的理论设计,利用液晶聚合物薄膜的可控制备,开发了取向序各向异性的功能聚合物薄膜,包括向列相聚合膜和近晶相聚合膜。研究表明,与近晶相聚合膜相比,向列相聚合膜在同等条件下,为水滴提供更快的输运速度,比近晶相聚合膜约快1个数量级。近晶相聚合膜和向列相聚合膜对于水滴的输运均具有方向选择性,实现了液滴在液晶功能表面的各向异性输运,为开发基于图案化液晶功能表面的特异性微流控技术奠定了基础。

一种热对流式MEMS二维质点振速传感器

由空气质点振速传感器和声压传感器组成的矢量传声器是测量声场空间信息的重要方式。本文设计了一种新型热对流式二维质点振速传感器,不同于传统平行线式传感机制,该器件由多线进行交叉连结形成一个中央十字加热器和四个直角测温线,构成新的局域加热和温度传感方式,基于此设计能够获得更高的灵敏度并具有理想的正交性。通过数值分析对其传感机制进行了详细分析,并使用MEMS工艺进行器件制备和性能验证。实验结果表明,该器件具有良好的响应灵敏度和接近完美的正交指向性。所提出器件在体积受限的声场测量中具有潜在应用价值。

浅说人工微结构材料与光和声的调控研究

在过去的三十年里,人们在对光的调控方面进行着不懈的努力,取得了卓有成效的研究进展,其中突出的进展表现在诸如光子晶体的发展、等离激元学与亚波长光学的发展以及超构材料的发展等,文章简要探讨了当前超构材料和人工带隙材料等研究的几种发展趋势,展示了利用人工微结构材料实现对光和声的调控的美好前景.

关于声学超构材料名词术语的探讨

近30年来,声学超构材料领域的理论与技术不断成熟与完善。以增材制造技术、飞秒激光加工等为代表的各种先进制造技术的发展,为复杂的声学超构材料的数字化设计制造奠定了基础,极大地推动了这类材料的实用化进程。这些发展吸引了学术界和产业界对声学超构材料的极大关注,因此,研讨声学超构材料领域的一些基本术语和概念,以方便学术界、研究机构和企业界之间的交流、沟通和讨论是十分必要的。从基础研究的科学概念出发,探讨了声学超构材料的定义、分类及其标准、研究手段与应用方向等有关声学超构材料的名词与术语,希望能够为建立声学超构材料有关技术标准提供一些有益的建议,供有兴趣的专家参考。

钙钛矿薄膜的均匀结晶和埋底钝化策略: 刷新全钙钛矿叠层光伏组件纪录效率

钙钛矿太阳能电池具有制备工艺简单且成本较低的优势,为光伏发电的降本增效提供了有效途径.经过10余年的发展,单结钙钛矿电池的效率已达26.1%[1],接近其Shockley–Queisser效率极限,构筑叠层太阳能电池成为进一步突破单结电池效率极限的重要方向.全钙钛矿叠层太阳能电池由富溴的纯铅组分宽带隙(wide-bandgap,WBG)子电池、互联层和铅锡共混(Pb-Sn)的窄带隙(narrow-bandgap,NBG)子电池按照自下而上的顺序堆叠而成[2].目前,实验室制备的小面积(孔径面积≤1 cm^(2))全钙钛矿叠层电池的光电转化效率(简称“效率”)可达29.1%[1],已经超越了单晶硅太阳能电池和单结钙钛矿太阳能电池的最高效率,具有极大的商业化应用潜力.

表面等离激元纳米阵列结构传感器的集成化和小型化研究

表面等离激元由于其异常的光学特性在高灵敏度传感领域有着广泛的应用前景。然而,传统棱镜式表面等离激元传感器由于庞大的体积和昂贵的成本限制了其进一步发展。表面等离激元金属纳米阵列结构传感器的出现为实现低成本、小型化和集成化的表面等离激元传感器提供了一条有效的解决途径。文章首先总结了表面等离激元纳米阵列结构传感器的发展现状和应用优势,然后主要介绍了近期作者课题组在表面等离激元传感器小型化、集成化、低成本方面的一些工作。这些工作对推动表面等离激元传感理论的发展,实现金属纳米阵列传感技术器件化具有较为重要的现实意义。

表面等离激元的传播操控：从波束调制到近场全息

表面等离激元是一种存在金属与介质界面的电磁模式,具有亚波长传播和局域场增强的特性,因而受到人们的青睐,作为在微纳尺度下进行光子操纵和集成的优良载体。随着人们对表面等离激元认识的不断深入和对微纳光子器件应用需求的增加,如何在近场范围内精确调控等离激元波的传播并实现特定的场强分布成为人们关注的热点。综述人们通过微纳结构对等离激元波进行操控所发展的新原理和新方法,以及对波束性质和近场分布调控的研究进展;重点介绍包括艾里波束、无衍射准直波束、角向贝塞尔波束在内的各类特殊等离激元波束的基本特性,产生与调控的实现,以及近年来拓展的近场全息技术;并进一步探讨表面等离激元光场调控在新型微纳光子学器件中的可能应用。

基于光取向液晶的光场调控技术

由于特种光束的独特性质和丰富应用,光场调控技术近年来得到了越来越广泛的关注。设计特定结构调控普通高斯光束的振幅、相位或偏振方向,可以得到一系列特殊光场。利用一种偏振敏感的光取向材料,基于动态缩微投影曝光系统的液晶光控取向技术,可实现精确、任意和可重构的液晶方位角的取向控制。基于该项技术制备了二值或渐变的液晶微结构元件,对入射光场的各个参量维度进行调控,产生了高品质、高效率的涡旋光束、矢量光束和艾里光束。利用该项技术制备的器件具有成本低廉、轻便集成、电光可调、偏振可控和宽波段适用等特点。综述了本课题组近期在该领域的系列研究工作,或将为光场调控技术带来全新的可能,为液晶光学器件带来更广泛的应用。

二维光/声学拓扑态

文章主要介绍光/声学拓扑态的基本概念和研究背景,评述了这一领域中二维体系研究的进展。首先简要回顾了霍尔效应及其与贝利曲率和对称性的关系,接着综合分析了不同对称性条件下的光和声拓扑态,包括光/声量子霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应的相关工作,最后讨论了该领域可能的发展方向和前景。