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片上集成型光隔离器的定向光传输特性在光通信、光信号处理等领域有广泛的应用价值. 本文通过改进遗传算法, 引入分段的适应度函数(阶段1设定隔离度; 阶段2设定插入损耗), 并建立基因库; 在仅为$4.2\text{ μm}\times 3\text{ μm}$的区域内获得了一种超紧凑的光隔离器方案. 在标准的绝缘体上硅(Silicon On Insulator, SOI)基片上, 通过设置五种直径(60 nm, 120 nm, 180 nm, 240 nm, 300 nm)的刻蚀圆孔排布, 在1550 nmTE偏振模式下, 取得了隔离度约为31 dB、插入损耗约为2 dB的结果; 在1550 nmTM偏振模式下, 取得了隔离度约为38 dB、插入损耗2 dB的结果. 进一步的, 还分析了不同尺寸组对隔离器性能的影响．这些结果对于发展超小尺寸、高集成度的片上光信号定向传输方案有促进作用．
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锂离子电池过充时, 负极超过最大嵌锂浓度会发生表面析锂, 而正极则处于贫锂状态导致颗粒内部应力升高, 从而引发严重的寿命和安全问题. 本文基于单层电芯颗粒尺度, 建立了镍钴锰正极和石墨负极颗粒尺度下的三维电化学-力-热耦合过充模型, 能够准确地反映充电过程中析锂和应力-应变规律. 基于此, 分析了充电倍率和负极颗粒半径设计参数对负极表面析锂的影响. 结果表明: 高倍率下析锂的触发电压较低, 而低倍率下由于极化和温度较低的影响, 过充至4.8 V时析锂浓度较高; 相较于大粒径颗粒, 小颗粒表面呈现最大锂离子浓度高、析锂过电位低、平均冯·米塞斯应力大, 更容易发生析锂. 在应力方面, 探究了正极颗粒空间分布和热效应的影响, 定义了接触深度因子${J_{\text{r}}}$, 发现颗粒的接触深度与接触界面区域的应力成反比关系; 而且, 随着充电倍率增大, 温度相关电化学参数显著变化, 在计算颗粒层面应力时不能忽略. 相关结果可为优化电池设计和充电管理策略提供理论依据和指导.
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双钙钛矿材料以其低成本、环境友好等优势在太阳能电池领域引起广泛关注. 本研究在已报道的ITO/ZnO/Cs2AgBiI6/HTL/Au单空穴传输层太阳能电池结构基础上, 提出了ITO/ZnO/Cs2AgBiI6/HTL1/HTL2/Au的双空穴传输层结构, 并使用Silvaco TCAD进一步分析了基于Cs2AgBiI6的双空穴传输层太阳能电池的内部物理机制. 结果表明, 与各单空穴传输层钙钛矿太阳能电池相比, 使用Cu2O/NiO和NiO/Si作为双空穴传输层的太阳能电池效率有所提高. 与Spiro-OMeTAD/CZTS双空穴传输层太阳能电池相比, 使用Cu2O/CZTS和MoO3/CZTS作为双空穴传输层的效率也有所提高. 其中, 性能最好的Cu2O/CZTS双空穴传输层太阳能电池效率为22.85%. 经过钙钛矿层和传输层的厚度优化后, 光电转换效率提升至25.62%. 此外, 模拟结果还揭示了温度和掺杂浓度对太阳能电池特性的影响. 这将有利于在无铅、无毒、环保的基础上, 为双钙钛矿太阳能电池的能效提高提供理论指导.
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轫致辐射作为原子物理中重要的辐射过程, 在天体物理、等离子体物理、磁约束和惯性约束核聚变等领域具有重要研究意义. 本文基于相对论分波展开方法研究了中高能电子碰撞中性碳原子以及各价态碳离子的轫致辐射过程, 并探讨电子屏蔽效应对轫致辐射截面及角分布的影响. 本文利用Dirac-Hartree-Fock理论构建靶原子波函数, 在中心场近似下建立电子-靶原子相互作用势, 基于相对论分波展开方法通过数值求解Dirac方程得到电子连续态波函数, 对不同价态碳离子的轫致辐射单重、双重微分截面以及角分布函数进行详细计算, 分析电子屏蔽效应在不同入射电子能量和出射光子能量下的作用. 结果表明, 电子屏蔽效应会使轫致辐射单重和双重微分截面降低, 在较低能电子入射时以及软光子区域抑制效果显著, 而随着入射电子能量和出射光子能量的增加, 电子屏蔽效应不断减弱. 电子屏蔽效应对轫致辐射角分布的影响则较不明显.
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采用静电悬浮技术实现了液态Nb81.7Si17.3Hf合金在不同过冷度下的快速凝固, 实验最大过冷度达404 K (0.19TL). 实验测定出其液态超过冷临界过冷度为527 K (0.24TL). 当液相过冷度超过194 K时, 合金相组成由(Nb)和αNb5Si3转变为(Nb)和Nb3Si. 若过冷度小于此临界值, 凝固过程中(Nb)相优先形核生长, 剩余液相形成了(Nb)+αNb5Si3层片共晶. 高速摄影实验发现初生相的生长速度可达89.4 mm/s. 在194 K以上深过冷条件下, (Nb)初生相将消失, (Nb)+Nb3Si非规则共晶在过冷熔体中直接生长. 非规则共晶生长速度随过冷度呈幂函数增大, 最高可达115.9 mm/s. 由于共晶间距减小和(Nb)相体积分数增大, 在194 K过冷度下合金断裂韧性可达21.9 MPa·m1/2, 提升至小过冷条件的3.4倍.
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结合金属和二维纳米材料的优点，研究人员提出了多种二维材料/金属复合结构作为表面增强拉曼光谱(SERS)基底，然而，复合结构中的二维纳米材料通常对总增强的作用较小.本文提出了一种竖直排列的二硫化钼(MoS2)纳米片，并将其与银纳米颗粒(Ag NPs)复合，制备MoS2/Ag基底，用于SERS检测.竖直排列MoS2纳米片可有效提高对分子的吸附，增强光吸收，提升电磁和化学双机制增强.实验结果表明，MoS2/Ag基底表现出优异的SERS性能，其对R6G分子的检测极限达到了10-12 M，接近单分子检测水平，增强因子约为1.08×109.同时该基底表现出优异的信号重现性，最终实现了对水产品中抗菌剂残留的超灵敏检测.
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实验和理论研究表明单个磁子模式与谐振腔光子能够形成相干型与耗散型耦合，这两个耦合通道的干涉会产生零阻尼效应。本工作将零阻尼效应拓展到两个磁子模式，研究了微波谐振腔中磁双层的零阻尼效应。基于本征频率和微波透射谱，我们推导了两个磁子模式的零阻尼产生条件以及频率失谐的表达式，并与数值计算的微波透射谱进行了比较，获得了零阻尼与系统参数之间的关系。此外，我们也分析了磁双层中界面交换耦合引起的磁子-磁子直接耦合带来的影响。由于零阻尼对应的微波透射谱的线宽非常的窄，因而本工作对于设计基于磁子零阻尼效应的量子传感器件是具有重要意义的。
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为了提升半导体开关的峰值功率与导通速度，针对光控多门极晶闸管结构开展了系列实验研究，重点探讨了不同光注入参数对开关特性的影响。研究发现，在不同激光峰值功率条件下，开关芯片展现出不同的导通特性。通过建立开关模型，并对注入光参数及电路参数进行对比分析，我们提出了光控多门极晶闸管的三种工作模式设想：光致线性模式（A模式）、场致非线性模式（C模式）和混合放大模式（B模式）。为验证这些工作模式，我们进行了针对性的验证测试，结果证实了该光控多门极晶闸管具有不同导通特性的工作模式。开关多工作模式的发现与验证，大幅度提升了功率半导体开关器件的斜率（di/dt）水平和峰值功率。在23mm直径芯片上，A模式获得了4kV、8kA，440kA/μs的窄脉冲；C模式获得了8.5kV、电流6.0kA、55kA/μs的宽脉冲；在38mm直径芯片上，B模式获得了4.6kV、8.5kA、129kA/μs的宽脉冲。这些成果为超高峰值功率半导体开关组件的研发奠定了坚实的理论与实验基础。
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亚铁磁材料在角动量补偿点附近具有类比于反铁磁的超快动力学, 且存在非零净自旋密度, 其磁结构可以被传统磁性手段探测和调控, 有望应用于新一代高性能自旋电子器件. 有效调控亚铁磁畴壁动力学是当前自旋电子学领域的重要课题. 本工作使用微磁学模拟研究了正弦波和方波振荡磁场驱动亚铁磁畴壁, 从理论上揭示不同的振荡磁场会诱导出不同方式的畴壁运动. 研究表明, 具有非零净自旋角动量的畴壁面随振荡磁场振荡, 正弦波磁场驱动亚铁磁畴壁的位移随时间单调增加, 而方波磁场驱动畴壁位移随时间曲折增大. 本工作系统探讨了亚铁磁畴壁速度与外部磁场和材料内部参数的关联, 表明了同强度下的正弦波磁场具有更高的驱动效率, 并揭示了相关物理机制, 可以为未来的实验和自旋器件设计提供参考.
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金属纳米线的弯曲力学性能直接决定了微纳器件的可靠性和使用寿命. 厘清纳米线在弯曲载荷作用下的力学响应特征和形变微观机制, 对设计和制造高性能微纳器件具有十分重要的理论意义和巨大的工程价值. 本文采用分子动力学模拟方法对不同取向B2结构FeAl合金纳米线的弯曲行为展开研究, 并同时考虑纳米线尺寸和横截面形状的影响. 结果表明, 在本文考虑的尺寸范围内, FeAl合金纳米线弯曲塑性变形的微观机制不随纳米线尺寸及横截面形状的变化而改变, 而只取决于纳米线轴向的晶体学取向. 其中, $\left\langle {111} \right\rangle $和$\left\langle {110} \right\rangle $取向纳米线的屈服均源于位错形核, 但$\left\langle {111} \right\rangle $取向纳米线在屈服后随即发生脆性断裂, 而$\left\langle {110} \right\rangle $取向纳米线则在位错连续形核与滑移过程中产生稳定的塑性流动, 从而表现出良好的塑性及延展性; 与上述两种取向纳米线不同, $\left\langle {001} \right\rangle $取向纳米线的弯曲形变机制以应力诱发B2→L10相变为主导, 同样表现出良好的弯曲塑性, 且具有较$\left\langle {110} \right\rangle $取向纳米线更高的断裂应变. FeAl合金纳米线弯曲行为的晶体学取向依赖性可借助Schmid因子得到解释. 此外, 塑性弯曲的$\left\langle {110} \right\rangle $和$\left\langle {001} \right\rangle $取向纳米线在卸载过程中可回复至初始形状, 特别地, $\left\langle {001} \right\rangle $取向纳米线的弯曲塑性变形可完全回复, 表现出超弹性特征. 本文从原子尺度阐明B2结构FeAl合金纳米线的弯曲形变行为及其关键影响因素, 对基于金属纳米线的柔性微纳器件设计和性能优化具有重要指导意义.
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相对论扭曲波方法是研究微观粒子碰撞动力学过程的常用理论方法. 本文基于多组态Dirac-Hartree-Fock (MCDHF)方法以及相应的程序包GRASP 92/2K/2018和RATIP, 发展了一套电子与原子碰撞激发过程的全相对论扭曲波方法和程序. 计算了极化电子与原子碰撞激发过程的总截面、微分截面、态多极以及碰撞激发后辐射光子的积分和微分Stokes参数等. 讨论了电子关联效应、Breit相互作用和等离子体屏蔽效应对碰撞激发截面的影响. 该方法和程序的发展为详细研究复杂靶离子的碰撞激发过程和讨论电子关联效应以及Breit相互作用对碰撞激发过程的影响提供了条件.
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设计了一种高灵敏度、高品质因子、高品质因数、高频探测、双固定功能的太赫兹可调完美吸收器. 该吸收器可实现4—14.5 THz范围内7个波段的完美吸收. 在进行结构设计时将线阵结构的参数与周期进行了关联. 通过计算吸收器的相对阻抗来对器件宏观层面的电磁进行解释, 并通过分析共振频率点的表面电场和磁场分布, 来分析该器件的物理机制. 计算了7个共振频点的品质因子Q, 其中最大Q值为219.41. 通过改变外部折射率, 该吸收器的灵敏度和品质因数值最大可达5421.43 GHz/RIU和35.204 RIU–1. 通过讨论关键参数对器件的影响, 得出该器件可实现双固定性能的选择、七波段吸收以及全波段反射. 通过改变狄拉克半金属的费米能级, 证明该吸收器具有良好的动态调节能力. 通过改变外部电磁波的入射角发现该器件在中低频段具有良好的稳定性, 但在高频段受外部入射角影响较大. 本文所提出的吸收器在成像、探测、检测等领域具有巨大的应用潜力, 相关工作对光电器件的设计提供了思路.
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磁传感器在导航、交通运输、机器人、自动化、医疗设备等领域有着广泛的应用, 对传感器的性能要求越来越高. 本文提出了一种具有两种工作模式的磁传感器, 兼具大量程和低噪声两种优点. 该传感器由一个640 μH磁芯绕线电感与一个100 pF电容串联构成. 传感器工作于阻抗模式时, 具有噪声低的优点, 当传感器驱动信号频率为1 MHz, 偏置磁场为7.66 Oe (1 Oe = 103/(4π) A/m)时, 传感器等效磁噪声水平最小, 约为200 $ {\text{pT/}}\sqrt {{\text{Hz}}} @1 {\text{Hz}} $, 线性范围为2 Oe; 工作于频率模式时, 具有量程大的优点, 量程可以达到25 Oe, 当偏置磁场为7.66 Oe时, 传感器灵敏度最大, 约为47 kHz/Oe. 该传感器与多种型号的商用磁传感器相比, 其低噪声、大量程、低成本的优点依然具有显著的市场竞争力.
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当两个次临界振荡场在空间上发生交叠时,可以高效促进真空中正负电子对的产生.本研究旨在探究两场在交叠方向上的间距变化对电子对产生的影响.模拟结果显示,随着间距的增大,产率逐渐降低.通过对不同频率组合的比较,还发现空间分离时产率的变化快慢与频率组合密切相关.此外,在间距变化时,电子能谱结构的变化也表现出不同的特征.通过结合粒子跃迁能量分布概率对能谱图的结构进行了详细分析,发现高阶跃迁概率随距离增加的衰减速度大于低阶跃迁.此外,随着间距的增大,两个组合场共同作用的多光子效应逐渐减弱,而单个场通过多光子效应产生正负电子对的概率则逐渐增强.上述结果和规律均得到了很好的解释,它帮助我们更深入地理解空间局域化对电子对产生的影响,并对实验设计提供一定的指导.
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仿星器线圈的构形形变在制造和装配过程中是不可避免的，这些形变会导致误差场的产生，仿星器的磁场位形对误差场非常敏感，严重制约等离子体的约束性能。因此，评估线圈形变对仿星器磁拓扑结构的影响是非常重要的研究课题。本文研究了中国首台准环对称仿星器（CFQS）上非平面模块化线圈（MC）形变对真空场下磁拓扑结构的影响。在本工作中，利用磁岛宽度变化来衡量线圈形变造成的误差场，采用了三种旋转变换（ι=2/4、2/5和2/6）的磁岛位形，分别考虑了每个模块化线圈的面内扰动和面外扰动。研究结果表明：同一线圈的形变会产生不同的共振误差场，且这些误差场的幅度各不相同；共振误差场对每个线圈形变的敏感度不同，最复杂线圈的面内扰动可能对磁拓扑结构的影响并不明显；共振误差场对线圈面外扰动的灵敏度高于面内扰动的灵敏度。这些结果表明放宽特定线圈的构形误差不会显著影响仿星器的磁场位形，有望缓解对MC线圈设计和制造的工程限制。此外，这项工作还有助于为即将进行的CFQS磁位形示踪实验提供精确的理论模型。
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