含非完好界面的非线性弹性波超材料中SH波的非互易传输

研究了含非完好界面的非线性弹性波超材料中的非互易传输现象.通过结构的非对称性和材料的非线性打破了经典弹性波系统中的互易性原理.入射的反平面剪切(shear horizontal, SH)波与材料的非线性效应相互作用产生二次谐波.根据Bloch定理,利用刚度矩阵法得到了基频波和二次谐波的带隙和透射系数.通过与完好界面情况下的结果对比,讨论了界面特性对层状周期结构中SH波的带隙和非互易传输的影响.本研究有助于设计具有非互易传输性能的弹性波超材料器件.     

十字排列椭圆孔声子晶体板的双通道滤波

采用有限元方法对二维十字排列椭圆孔周期结构的带隙及传输特性进行了研究,发现此类结构具有较宽的带隙范围.基于该研究,构造了由3种不同尺寸代表性单元组成的双通道波导结构,并通过有限元建模计算,分析了该结构的双通道滤波性能.根据理论计算模型设计制作了亚克力材料的双通道声子晶体薄板,并进行传输特性测试,实验数据验证了仿真结果的准确性.研究结果表明,通过调节3种代表性单元的尺寸,改变声子晶体的带隙分布,可以实现不同频率弹性波在双通道结构中的定向传输.     

智能压电声子晶体与超材料研究现状与展望

声子晶体与超材料作为一种人工设计的新型材料或结构,具有许多独特和超常的弹性波传播特性,为机械振动的有效控制与弹性波的精准调控提供了一个崭新的研究途径与充满希望的应用机遇.然而,由于传统的声子晶体与超材料在加工制备之后不易根据实际需求重新调整其几何参数和材料属性,大大限制了其实际应用.基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体与超材料,通过调节电场即可按需调控结构的振动或波动特性,可大大拓宽传统声子晶体与超材料的应用范围.本文依据压电材料与弹性材料或结构不同的融合形式,试图将智能压电声子晶体与超材料大致分为三类:第一类为单一压电声子晶体与超材料,此类仅由单一的压电材料组成,可以外接电极也可以无外接电极;第二类为内嵌式压电/弹性复合材料型压电声子晶体与超材料,该类由压电散射体埋嵌在弹性基体中而构成,当然也可将压电材料与弹性基体的角色互换;第三类为由外贴式压电片与弹性结构组成的复合型压电声子晶体与超材料,此类将压电片外贴在弹性基体结构(杆、梁、板等)的表面.已有研究表明,相较于其他弹性波调控方式,基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体和超材料的主要优势体现在反应迅速,无须改变原有结构的固...     

梯度折射率超材料透镜

超材料是由人工设计的、具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构,有负等效质量密度、负等效弹性模量、负折射率等特性.声子晶体超材料是一种具有周期性结构的超材料,其布拉格带隙或局域共振带隙的存在使处于禁带频率下的声波或弹性波进入声子晶体后无法在其中传播.其能带特性可以通过设计进行调节,使通带频率下的声波或弹性波进入具有特定结构的声子晶体后,实现成像、聚焦以及定向传输等对波传播的极端控制功能.梯度折射率超材料是一种折射率随空间变化而变化的结构.梯度折射率透镜由局部非均匀结构组成,其折射率是空间坐标的函数.波在透镜中会沿着弯曲的轨迹传播,可以通过适当的设计实现对波的弯曲、偏转和聚焦等功能.梯度折射率的设计可以通过改变局部晶体单元的性质实现有效折射率的梯度分布,如改变声子晶体的晶格尺寸、散射体的填充率、散射体的材料等.此外,梯度折射率超材料透镜能够通过设计在宽频率范围内精准聚焦波,从而实现能量采集等工程应用.本文从光学理论原理、透镜设计及其应用三方面展开介绍,首先对理论基础以及目前构建梯度折射率器件的几种方法进行总结,然后从透镜的应用角度介绍几种典型案例,最后对透镜的未来研究作出展望.     

三维声学超材料的高阶拓扑态

位于"边缘的边缘"上的高阶拓扑态的发现为限制和控制光波、声波以及弹性波的传输提供了一种新思路.目前,高阶拓扑态已在二维的机械、电磁、光学、声学和弹性系统中得以实现.然而,三维声学系统中对高阶拓扑态的研究却鲜有报道.本研究针对这一现象提出了一种具有一阶表面态和二阶铰链态的三维声学超材料.该三维声学超材料可以在其布里渊区的K-H方向上形成二重简并的交线.改变超材料单胞内外耦合强度的相对大小,线性简并交线打开形成完全带隙,生成平庸型和拓扑非平庸型声学超材料.能带结构、特征频率及传输效率的分析结果表明,当内耦合强度小于外耦合强度时,带隙范围内声学超材料具有拓扑非平庸的一阶表面态和二阶铰链态;当内耦合强度大于外耦合强度时,带隙范围内声波将无法在声学超材料的任何部位传播,该声学超材料是平庸的.三维声学超材料高阶拓扑态的实现突破了二维系统的局限,在声波能量回收和高精度声传感器方面具有潜在应用前景.     

玻璃球上的魔法:二维原子晶体的可控带隙生长

<正>对于半导体材料,带隙是一个非常重要的性质标签^[1]其表示半导体中电子被激发到能参与导电的状态所需要的最小能量,决定了材料的众多基本物理特性,如光子的吸收激发和电子传输等,带隙的精确调控有利于获取具有特定性质的订制材料.目前报道的二维原子晶体带隙调控方法主要分为化学调控及物理调控两大类,其中化学调控     

力电耦合主动超材料及其弹性波调控

超材料是实现新奇弹性波调控功能的关键所在.其中,被动超材料最先被研究者关注,目前已实现了波动阻隔、负折射、波聚焦、绕射隐身等反常波动效果,因此被动超材料在低频减振降噪、结构健康监测和波动能量收集等方面有着广泛的应用前景.然而,被动超材料在制备完成后,其等效属性和波控功能很难再根据实际需求进行调节,限制了其在真实工作环境中的应用.近年来出现的力电耦合超材料能够实现波动性质的主动调节,突破了被动超材料的限制,因此受到越来越多的关注.力电耦合超材料在微结构材料组分和拓扑构型之外引入多物理场耦合效应来改变等效属性,并能通过外部电场控制实现特定的非常规属性或者材料属性的主动甚至自适应调节.本文首先介绍力电耦合超材料的基本概念.然后,根据外部电场作用方式的不同将力电耦合超材料分为两类;并从等效属性的电场调控机理、耦合电场/微结构设计和波控功能等方面,对力电耦合超材料的研究现状和发展趋势进行了详尽的介绍和讨论.最后,针对波动控制的功能拓展、宽低频实现机理、动态均匀化以及高效数值预报等方面,对未来力电耦合超材料的研究方向与应用领域进行展望.     

地震超材料:从自然结构到新型人工结构

光子晶体、声子晶体和声学超材料在调控波和波衰减等领域产生了深远影响.它们并不是自然界中新发现的材料,而是根据不同需求设计的复合结构,通常利用布拉格散射或局域共振机理来达到调控声波/弹性波能带结构的目的.与光子晶体不同,声子晶体和声学超材料的工作区域在较低频区域,因此获得低频且大范围的禁带是该领域的研究重点,并逐渐拓展到频率低、波长长的地震波隔震减灾防控上.本文从纳米光子和地震超材料的联系出发,从固体物理的视角分析了地震超材料的城市群、自然森林超材料等,将新型人工地震超材料在分布区域、禁带机制、实验方式3个方面进行了分类比较,并展望了现阶段地震超材料研究的一些局限性以及面临的挑战.     

含机构位移模式的超材料低频宽带波动控制

基于谐振微结构的超材料普遍存在有效工作带宽狭窄和工作频率位置受谐振子质量控制的问题,严重制约了弹性波超材料的应用推广.本文通过将机构位移模式引入超材料中,设计了由圆盘连杆机构组成的机构超材料,研究了其零频负刚度和双各向异性.通过同时引入机构位移模式和内部阻尼,在不增加整体质量的前提下,实现了局域谐振超材料的低频宽带振动控制.本文的研究探索了机构超材料中局部机构位移与整体超低频波动强耦合的机理,为工程结构的宽低频波动与振动控制提供了理论基础与设计指导.     

弹性板波超材料研究进展

超材料指具有超越天然材料性能的人工材料,因其独特的物理性质及广泛的应用领域而受到人们的关注.固体中的弹性波被广泛应用于无损检测、无线通讯、无源传感等领域,具有重要的应用价值.不同于流体声波,固体中的弹性波由于存在纵波与横波的耦合及模式转换,更难以进行精确操纵,这就给超材料的应用提供了很好的舞台.本文以弹性波中极具代表性的板波作为焦点,较为系统地回顾了板波超材料的发展历史、主要研究进展及其在未来信息功能器件发展方向的潜力.     

涂料法——半导体上的新突破

微型电子集成块有很多用途,但它对某一特殊用途的适用程度依赖于所用半导体材料的特性,其中之一就是频带隙。频带隙可以测量出需要多少能量才能使一个电子松动,以使它在半导体里运动中产生出电流。集成块的设计者常常对半导体特有的频带隙毫无办法。但现在制作具有适用于各种用途     

结晶化胶体阵列的制备及其可调光子带隙性质

利用离子交换方法制备了由单分散聚苯乙烯微球(直径为70和140 nm)构成的结晶化胶体阵列结构, 研究了其光子带隙随微球体积分数和分散剂类型的变化规律, 以及在结晶化胶体阵列中荧光素染料的发光性质. 这种结晶化胶体阵列结构可以用作可调带隙的液态光子晶体, 在传感器、光子带隙材料、凝聚态物理等领域有广泛的应用前景.     

鲍鱼壳中的一维光子带隙结构

光子带隙材料是一种周期性介质材料,在这种材料中,特定频带的电磁波不能沿某个方向或者任何方向传播,在5亿年前,自然世界已经因为特定的目的发展出生物光子结构,不同类型的生物光子带隙结构在近年来被发现,例如海老鼠刚毛和Elaeocarpus果实中的一维光子晶体结构,在雄性孔雀羽毛、蝴蝶翅膀中的二维光子晶体结构,在甲虫中的三维光子晶体结构,此外,对生物光子带隙结构的深入研究有助于发展一种制备光子元件的新途径。     

结构搜索程序CALYPSO在新型超硬材料探索方面的应用

新型超硬材料的探索研究具有十分重要的应用价值.结构搜索程序不但能对一些实验合成但结构不确定的超硬材料的结构进行探索确认,而且能对实验尚未合成的超硬材料进行探索研究,对开发新型超硬材料十分有利.本文综述了利用结构搜索程序CALYPSO对超硬材料(B,C,N超硬材料和过渡金属硼化物)进行的结构搜索研究,并展示了相应材料的硬度、弹性性质和电子结构性质等.     

纳米硅光能隙的Raman表现

早期非晶硅振动谱的研究中提到非晶材料光学吸收能隙与Raman谱的关联.嗣后,Lannin又在非晶四族元素动力学和序结构的研究中明确地指出:光能隙(即Tauc隙)与其Raman谱中类横向光学模(TO-like mode)峰的半高半宽的变化有关,且与无序硅贝特点阵模型(Bethe lattice model)做了比较,发现无序随机网络中每个原子的sp~3轨道互作用起伏的减小致使带边变宽,进而引起键角分布函数g(θ)的变化,表现在Raman谱的位、形上.然而,g(θ)可以从对分布函数g(r)的近似得到:     

分子基导电聚合物吸波材料:进展与未来挑战

随着科技的发展,电磁辐射泄漏引起的电磁污染问题日趋严峻.电磁污染不仅会影响电子设备的功能,而且会对人体健康产生不良的影响.为解决这一问题,研发具有各种新颖结构的电磁波吸收材料具有重要的意义.分子基导电吸波材料因其独特的物理化学特性展现出良好的吸波潜能,吸引了研究者的广泛兴趣.本文综述了近年来有关分子基导电吸波材料的相关研究成果.首先,介绍了分子基导电吸波材料的吸波原理.然后,聚焦分子基导电吸波材料中的三大类材料,即导电高分子聚合物、导电共轭聚合物和导电金属-有机配合物吸波材料,讨论了其结构设计调控策略和吸波损耗机制.此外,本文还介绍了典型的制备分子基导电吸波材料的方法.最后,结合面向前沿的吸波材料的需求,指出了分子基导电吸波材料未来研究亟待解决的挑战.     

面向微电子应用的二维过渡金属硫族化合物制备进展

二维原子晶体材料所独有的结构特性带来了诸多优异的性质.与石墨烯相比,二维过渡金属硫族化合物(TMDs)拥有不同大小且可调控的带隙,在微电子和光电器件领域有着广阔的应用前景.本文对二维TMDs材料"自上而下"和"自下而上"的制备方法进行了总结,对比了机械剥离、液相剥离和化学气相沉积等常见制备技术,并归纳了各自的优缺点.同时基于未来晶圆级二维TMDs器件,重点介绍了化学气相沉积法及其面向应用需要解决的问题.最后总结了二维TMDs材料在微电子器件应用中的研究进展.     

基于皮胶原纤维的雷达吸波材料

将皮胶原纤维(CF)与水杨醛反应获得具有席夫碱结构的胶原纤维(Sa-CF), 再进一步与 Fe³⁺配位结合后制备了基于胶原纤维的雷达吸波材料(Fe-Sa-CF). 采用同轴线传输/反射法和雷达波散射截面(RCS)法测定了在频率为1.0~18.0 GHz范围内的电磁参数和雷达吸波特性. 研究表明, CF的电导率为1.08×10⁻¹¹ S/cm, 而经化学修饰得到的Fe-Sa-CF的电导率提高到2.86×10⁻⁶ S/cm; 同时, 在频率为1.0~18.0 GHz范围内其介电损耗角正切(tan?)也提高, 因此, Fe-Sa-CF为电损耗型吸波材料. Sa-CF(厚度 1.0 mm)在3.0~18.0 GHz范围具有一定的吸波性能, 对雷达波的最大反射损失(RL)为−4.37 dB; Fe-Sa-CF的吸收频带加宽, 在1.0~18.0 GHz范围内均表现出较好的雷达吸波性能, RL最高值为?9.23 dB. 随着Fe-Sa-CF厚度的增加, 对雷达波吸收强度进一步提高, 当厚度为2.0 mm时, 对频率在7.0~18.0 GHz之间的雷达波的RL值达到−15.0~−18.0 dB. 因此, 皮胶原纤维经过化学修饰后可以制成具有厚度薄、密度小、质量轻、吸波频带宽、吸波强度高的新型雷达吸波材料.     

石墨烯打开带隙研究进展

石墨烯自从被发现以来,迅速引发了科学家的研究热潮.在石墨烯的诸多优异性质中,超高的电子迁移率使它在未来电子学产业中具有极大的应用前景.但是石墨烯是零带隙材料,极大地限制了它在电子学器件上的应用.在过去几年中,科学家不断从理论和实验上探索石墨烯打开带隙的方法,本文以是否直接破坏石墨烯的晶格或化学结构为依据,从两大类综述了石墨烯打开带隙的理论、计算和实验工作.     

声学黑洞研究进展与应用

声学黑洞结构作为一种新型的弯曲波调控技术,可以有效地降低结构中弯曲波的传播速度,减小边界末端的反射,形成具有高能量密度的区域,因此在减振、降噪、波动调控以及能量回收等方面具有广阔的应用前景.不同于以往复杂的减振降噪复合结构,声学黑洞因其结构与材料单一,在实际应用方面具有一定的优势.时至今日,针对声学黑洞结构已经进行了大量的基础理论研究和实验探索,并取得了一定的阶段性研究成果.本文首先介绍了声学黑洞的起源和基本原理.然后,全面介绍了理论计算和实验研究方法,详细地综述了声学黑洞结构的4个主要功能性分类,即减振、降噪、波动调控和能量回收,并总结了现在研究存在的问题.最后,对声学黑洞的发展前景进行展望,并指出了未来研究的重点和方向.