能量转换器件参数对氚和~(147)Pm辐射伏特同位素电池性能影响

采用理论模拟和实验方法,开展单晶硅PN结能量转换器件的结构参数和性能对氚源和147Pm源加载下的同位素电池输出性能影响研究.结果显示:同样的能量转换器件参数(包括表面钝化层厚度、顶层掺杂浓度和厚度、基层掺杂浓度和厚度、器件的漏电流等)对不同加载放射源的辐伏同位素电池输出性能影响相差较大.该结果对选择不同加载源的辐伏同位素电池能量转换器件设计具有较大指导和参考作用.     

新型热离子发电器件理论及其在能量转换器件中的应用

首先基于电子能量的选择机制,介绍两类具有能量选择通道的热离子电流密度方程.以能量选择通道在热载流子太阳能电池中的应用为例,揭示如何利用能量选择通道实现高效的能量转换.其次,根据半导体电子发射的基本原理,给出光增热离子发射电流密度方程,以光增电子隧穿太阳能电池为例,阐述光增热离子实现太阳能的光热集成利用的新原理.最后,根据石墨烯中电子的能量色散关系,给出石墨烯表面发射电子流密度方程,进而分析基于石墨烯热离子效应的能量转换器件的热电性能.文中结合国内外的研究现状,系统地阐明如何评估基于三类新型热离子效应的器件的热力学特性,建立优化理论,指导设计高效的能量转换器件.     

染料敏化太阳电池新材料及规模制备研究2013年度进展报告

新型染料的设计、合成、结构表征及物性理解;研究染料、半导体纳晶薄膜及电解质相关的电荷分离、电荷转移和电荷输运基本物理过程。光功能分子在半导体表面的微结构表征,利用时间分辨光谱和电学测量技术,考察复杂界面电荷转移动力学机制。澄清染料分子结构-组装体微结构-电荷转移动力学-器件参数之间的内在关联机制。逐渐建立染料敏化太阳电池微尺度界面电荷转移、电荷复合与载流子输运及器件物理模型。     

微/纳机电系统中的毛细黏附作用

毛细作用在所有尺度中都存在,但是在微/纳尺度下尤为重要.随着微/纳机电加工技术的迅速发展及深入研究,微/纳机电器件得到广泛应用.在微/纳机电器件的加工和使用过程中,毛细黏附作用影响其可靠性,进而影响微/纳机电器件的商品化.鉴于毛细黏附问题对微/纳机电器件性能的重要影响,本文综述毛细黏附力对微/纳机电系统器件性能的影响效果,微/纳尺度的毛细黏附力作用规律,以及毛细黏附控制技术.     

等离激元/介质微纳结构与光的互作用及其传感应用

微纳米尺度物质与光的相互作用研究对于光电转换、生物传感等领域的发展具有重要的科学意义.基于等离激元效应和介质光耦合机理增强光和物质相互作用的微纳光学研究涌现出众多优秀科研成果,在分子传感领域更是展现出巨大的应用潜力.本文重点围绕本课题组近年来在等离激元/介质微纳结构与光的互作用方面的相关理论与实验研究展开回顾分析,揭示了采用不同电磁机制增强光与微观物质相互作用的物理内涵,论述了微纳结构光学设计的新思路和新方法,阐明了在微纳光学分子传感应用上的科研思想和探索成果.最后,展望了微纳光传感的研究发展方向和实际应用前景.     

基于孔隙网络模型的电池热管理系统跨尺度分析

针对电池热管理系统进行跨尺度分析以提高电池安全性是当前产业界的迫切需求。该文将电池组类比为多孔介质,将电池热管理系统优化等效为多孔介质对流换热过程,采用具有计算高效、多物理场耦合能力强等优势的孔隙网络模型对实际电池热管理系统进行了多尺度分析。该方法在进行准确性验证后,可以有效建立电池单体与电池组整体之间的信息交互,并搭建电池热管理系统分析的跨尺度桥梁。该方法基于不同尺度下多孔介质流动和传热过程,为未来跨尺度方法的工程应用打下基础。     

纳信息功能器件系统的关键科学问题和发展趋势

本文综合评述了国内外纳电子器件和新原理的纳功能器件的最新进展,指出硅基微电子技术正在向与新的、目前尚不明确核心技术的纳信息技术共同发展的方向转型,这是我国信息技术和产业后来居上的重要机遇。基于纳尺度各种显著的物理效应和多场耦合原理,开展低维纳功能器件的新原理、新性能、新架构的深入系统的研究,具有重大科学与现实意义。这类纳信息功能器件与硅芯片技术相融合的设计、工艺和技术将是需要突破的重大问题。随着纳米科学技术研究的重点向功能化器件系统方向发展,如何加强以产业发展为背景的研究,特别是加强微纳电子、芯片设计制造业与纳米科技基础研究的结合,加强微纳硅工艺与新的纳米技术的结合,加强高水平科学研究发现与关键技术创新的结合,是我国纳米科学技术发展的重要问题。     

各向异性二维材料的热输运及热辐射调控研究进展

二维材料体系中能量输运与宏观体材料存在显著差异.因此，二维材料的热输运和热辐射的研究对微纳器件热管理、辐射制冷等具有重要意义.本文首先总结了典型各向异性二维材料(如WTe₂、CrOCl、Ta₂NiS₅)的热学特性，分析了材料结构对热输运的影响，展示了在二维材料中调控热流的新机制；其次，针对高功率密度器件散热需求，总结了影响热界面材料性能的关键因素，回顾了利用二维材料各向异性的热输运特性提高聚合物复合材料热导率的新方法，包含空间取向调控、导热网络构建等；最后，围绕辐射制冷、红外伪装等领域应用需求，基于二维材料的独特晶体结构和电子结构，总结了通过离子插层方式调控发射率的新途径，全面分析了主客体结构、外加电场等对红外发射率的影响，展示了优化发射率调控能力的新途径.本文通过梳理相关研究进展，加深了对二维材料热输运和热辐射调控机制的理解，分析了材料制备、物性表征、机制探究中面临的挑战，展望了相关研究的发展方向.     

考虑固壁作用力的微可压缩流体纳微米圆管流动分析

针对流体在纳微米尺度下的流体流动规律不符合泊肃叶规律的理论依据不足的难题,研究了纳微米圆管中流体的流动,将流体的微可压缩和固壁对流体的作用同时考虑进来,并将固壁对流体的作用采用固壁作用力的形式引入到流体力学方程,采用涡函数流函数将方程解耦,并用正则摄动法求得一阶精度的压力和速度的解析解.结果发现:固壁作用力导致零阶径向压力的出现,一阶压力的增强和一阶速度的降低;量纲一的体积流量偏离了不可压缩流体的体积流量,偏离效应受流体的微可压缩性和固壁作用力的共同影响.体积流量在同尺度下偏离泊肃叶流动的流量大小随着可压缩系数和流体中和壁面产生作用的离子浓度增大而增大,随着纳微米圆管管径减小而增大,纳微米圆管管径低于某一尺寸时,流体将不能流动.通过研究表明:纳微米尺度下产生微尺度效应的原因是流体的微可压缩性和壁面力的共同影响.     

MOSFET器件热载流子效应SPICE模型

为了预测MOSFET器件在热载流子效应影响下的退化情况,建立了一套描述MOSFET器件热载流子效应的可靠性SPICE模型.首先,改进了BSIM3v3模型中的衬底电流模型,将拟合的精确度提高到95%以上.然后,以Hu模型为主要理论依据,结合BSIM3v3模型中各参数的物理意义及其受热载流子效应影响的物理机理,建立了器件各电学参数在直流应力下的退化模型.最后,依据准静态方法将该模型应用于热载流子交流退化模型中.实验数据显示,直流和交流退化模型的仿真结果与实测结果的均方根误差分别为3.8%和4.5%.该模型能准确反映MOSFET器件应力下电学参数的退化情况,且为包含MOSFET器件的电路的性能退化研究提供了模拟依据.     

真空栅介质场效应晶体管自热效应模型

针对纳米尺度金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)热传输尺度效应对自热效应影响加剧的问题,提出一种考虑尺度影响的真空栅介质垂直堆叠硅纳米线(SiNWs)环栅场效应晶体管(GAA FET)自热效应模型。首先,分析硅薄膜与SiNWs内声子散射自由程之间的关系,量化用于衡量声子边界散射的SiNW热导率衰减因子;然后,根据国际上现阶段关于纳米硅薄膜热导率的解析模型,推导得到考虑尺度效应影响的SiNW热导率解析模型;最后,结合纳尺度器件热传输的关键路径,建立起考虑尺度影响的GAA SiNWs FET自热效应模型。在TCAD软件中采用所提自热效应模型实现了GAA SiNWs FET自热效应的数值计算。仿真结果表明:低热导率真空栅介质、垂直堆叠多热源与热传输尺度效应将导致真空栅介质GAA SiNWs FET热生成与扩散过程更加复杂,加剧器件自热效应;通过真空栅介质间隙与环绕气体压强之间的折中设计能够最大化栅极热传输能力,达到抑制器件自热效应以改善器件性能及其可靠性的目的;与传统自热效应模型估算的热点温度值相比,所提出的自热效应模型预测的真空栅器件内热点温度提高了30%,表明该自热效应模型能够有效的揭示GAA FET内SiNW热传输尺度效应对自热效应的影响机制。     

基于等离激元微纳结构的太阳能界面光蒸汽转换

作为人工微纳结构与光热转换的融合,太阳能光蒸汽转换成为近年来太阳能热利用领域的研究热点之一.基于人工微纳结构的等离激元吸收体,能够在整个太阳光谱范围内实现高效的光子捕获.等离激元吸收体表面和内部的光致局域加热,促成了高效的液气相变.与碳基吸收体相比,等离激元吸收体不但可将入射太阳光局域在亚波长尺度内,形成致密的热点,而且其吸收光谱可灵活调控.围绕等离激元吸收体的光蒸汽转换体系,还具有热响应快、材料抗腐蚀、可回收等优势,可用于海水淡化、污水处理、灭菌消毒等水处理领域.本文从光吸收和热局域两个角度阐述了等离激元光蒸汽转换系统的设计与优化,并对其应用前景作了展望.     

绝缘体上硅场效应晶体管热导率尺度效应模型

针对硅微纳米薄膜热导率存在严重尺度效应的问题,提出一种等效边界散射自由程近似的全耗尽绝缘体上硅(FD SOI)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)硅薄膜热导率尺度效应模型。探讨硅材料内声子散射机理,量化考虑束缚态与自由态电子影响的声子弛豫时间,推导得到硅材料热导率解析模型;深入研究声子边界散射机制,近似求解衡量尺度效应的衰减因子,获取等效声子边界散射平均自由程;考虑由粗糙度引起的界面效应,利用Matthiessen规则将硅材料内声子散射与声子边界散射等过程进行耦合,建立起适用于纳米FD SOI MOSFET硅薄膜热导率解析模型,并利用Asheghi原始模型与实验测试数据对等效边界散射自由程近似热导率模型进行了验证。模型计算结果表明,硅薄膜内声子边界散射等效平均自由程约为薄膜厚度的2.5倍。声子边界散射在微尺度与纳尺度声子热传输过程中占据主导地位,决定了硅薄膜内声子超快热传输特性。采用等效边界散射自由程近似的热导率模型能够与Asheghi模型及实验测试数据较好地吻合,更加凸显衰减因子的物理意义以及有效地揭示纳米器件有限空间热导率的尺度效应。     

微纳光学器件的研究进展

工作在亚波长尺度的微纳光子学器件,具有良好的光子集成性和光学性能优势,广泛用于图像显示、遥感技术和传感应用等方面。根据国内外的研究进展,本文系统地介绍了各类微纳光学器件近十年以来的研究成果,简要阐述了基于特殊微纳结构的颜色滤光片、基于金属表面等离子体效应的滤光片、基于导模共振光栅滤光片、基于光栅结构的滤波偏振分束器和微纳结构宽波段吸收器等五种光子学器件的发展现状,提出有待进一步研究的问题,对未来的研究内容和发展方向进行了展望。     

Casimir效应对微纳机械开关稳定性的影响

在微/纳机械系统中的一个重要问题就是粘附效应(stiction)。在亚微米尺寸下,Casimir力对于粘附效应的影响是最为严重的。本文分析了Casimir效应对于微纳机械开关中与粘附效应相关的两个参数临界初始距离Lmin和临界电压(pull-involtage)的影响。在临界电压的分析计算过程中重点讨论了材料性质所产生的作用。随着微纳构件之间距离的减小,材料的导电性和表面粗糙程度对器件的稳定性的影响也越来越大。在微/纳机械系统的制造中,通过选择不同的材料可以极大地改善系统的稳定性。     

硅基半导体热滞现象的研究

采用四线法研究Ag/Si O2/p-Si∶B/Si O2/Ag器件在不同温度下的电输运性能(V-I特性),在低温V-I特性曲线中观察到了明显的热滞现象.为了消除热滞现象带来的实验误差,文中提出了采用增强系统热传导以及延长连续两次测量的间隔时间的方法,并通过延长连续两次测量时间间隔的方式消除了热滞对器件电输运性能的影响.结果表明,在进行半导体基材料的电性能及磁阻效应的研究时,必须考虑热效应可能带来的影响,否则将导致错误的实验结果.     

微纳表面热功能结构及其脱合金原位成形方法

表面热功能结构广泛应用于热能转换与传递的各个环节,是机械与工程热物理交叉领域重要的研究方向。从加工学的角度综述了表面热功能结构的微纳发展现状和趋势。分析表明,对表面微纳结构的规则性、水热稳定性、固液界面特性的有效控制是提升传热性能的关键,也是表面微纳热功能结构加工领域的挑战。介绍了基于脱合金技术的表面纳米多孔金属结构原位成形方法及其在强化沸腾传热领域的应用现状和前景。     

声子水动力学:进展、应用与展望

声子水动力学是研究介电固体中热输运的有效宏观方法,它具有清晰直观的物理图像和简洁统一的数学描述.本文总结了声子水动力学的理论基础、历史脉络、前沿进展与应用.从其历史发展看,声子水动力学经历了经典声子水动力学、唯象声子水动力学以及广义声子水动力学3个阶段.论文首先回顾了经典声子水动力学的统一动理论框架,通过声子Boltzmann方程的Chapman-Enskog渐近展开推导,介绍了前人所得到的不同形式的声子水动力学方程的条件和适用范围.随后总结了唯象声子水动力学的主要概念和内容及在微纳尺度热输运中的应用,并阐明了其沿袭经典声子水动力学发展的历史逻辑与局限性.同时,为了推广声子水动力学在复杂系统中的应用,本文介绍了基于声子水动力学理论的数值方法的最新进展,包括声子格子Boltzmann算法和声子Monte Carlo方法等.为了能让声子水动力学更准确地描述微纳系统中的热传递规律,本文还展望了声子水动力学的未来发展趋势,阐释了广义声子水动力学的内涵和外延,深入探讨了其非平衡热力学的理论基础.本文力图促进声子水动力学的进一步发展及其在揭示极端条件热输运机理方面的应用.     

Casimir效应对微纳机械开关稳定性的影响

在微／纳机械系统中的一个重要问题就是粘附效应（stiction）。在亚微米尺寸下，Casimir力对于粘附效应的影响是最为严重的。本文分析了Casimir效应对于微纳机械开关中与粘附效应相关的两个参数临界初始距离Lmin和临界电压（pull-in voltage）的影响。在临界电压的分析计算过程中重点讨论了材料性质所产生的作用。随着微纳构件之间距离的减小，材料的导电性和表面粗糙程度对器件的稳定性的影响也越来越大。在微／纳机械系统的制造中，通过选择不同的材料可以极大地改善系统的稳定性。     

一维无铅压电微纳材料在能量转换领域的研究进展

 能源危机和环境污染是当今社会发展面临的主要问题,绿色新能源及新能源材料是解决问题的关键。压电晶体可实现机械能与电能之间的相互转换,成为能源与材料领域的重点研究对象。在压电材料体系中,无铅体系由于具有较为优秀的压电性能、且不含有毒物质铅等一系列优势而倍受关注。随着材料向微纳化和低维化的发展,一维无铅压电微纳材料成为目前压电领域的研究热点之一,然而其合成与评价还处在起步阶段,与之相关的能量转换等方面的研究与应用也仍在探索阶段。本文以一维无铅压电微纳材料为对象,概况介绍了产物生长控制合成的方法,简要说明了在能量转换领域的相关应用,最后对一维无铅压电微纳材料在能量转换领域的发展趋势进行了展望,为一维无铅压电微纳材料在能量转换领域的理论研究、实际应用及未来发展提供参考。