Si基^63Ni辐射伏特效应同位素电池的优化设计与分析

目前国内外研究的各类微能源中,β辐射伏特效应同位素电池因能量密度高、寿命长、输出性能稳定等优点在许多领域具有广泛的应用前景.本文从辐射伏特效应的基本原理出发,通过蒙特卡罗程序MCNP模拟计算β粒子在半导体材料中的输运过程,得出了辐生电流、开路电压等性能参数的计算公式,探讨了少子扩散长度、掺杂浓度、结深等对性能的影响,并提出了采用硅基63Ni源的同位素电池的最佳设计参数：63Ni源质量厚度为1mg/cm2,单晶硅半导体P区掺杂浓度为1×1019cm？3,N区掺杂浓度为3.16×1016cm？3,结面积为1cm2,结深为0.3？m,总厚度不超过160？m.得到的短路电流、开路电压、最大输出功率及转化率分别为：573.3nA,0.253V,99.85nW,4.94%.为低功率场所,如微型机电系统、心脏起搏器等所需的微能源提供参数依据.     

固体-固体摩擦起电中电子转移研究进展

摩擦起电是指两个材料接触或摩擦后,电荷从一个材料表面转移到另一个材料表面的现象,距其被发现至今已有2600年的历史.然而,摩擦起电的机理却长期处于争论之中,其争论的核心是摩擦起电的载流子类型是电子、离子还是材料碎屑.最近,相关研究以摩擦纳米发电机和开尔文探针力扫描显微镜为手段,探索了固体-固体界面电荷转移的基本原理.研究结果表明,电子是固-固界面摩擦起电的主要载流子,发生电子转移的条件是两个原子的电子云发生重叠.本文主要阐述电子作为转移电荷主要载体的实验依据,对新提出的摩擦起电物理模型进行了解读.     

GaN基β辐射伏特效应微电池的优化设计研究

β辐射伏特效应同位素微电池具有体积小、工作稳定性好、寿命长、能量密度高、抗干扰性强等优点,逐渐成为微能源研究的方向．本文以半导体物理理论为基础,提出基于宽禁带半导体材料GaN和放射性同位素^147Pm的同位素微电池最优化设计方案．引入对同位素源自吸收效应的考量,通过蒙特卡罗程序MCNP模拟计算β粒子在半导体材料中的输运过程,对同位素源与半导体材料的最优化厚度,半导体材料PN结结深、耗尽区厚度、掺杂浓度,以及电子空穴对的产生及收集情况进行了研究和分析．提出的β辐射伏特效应同位素微电池最优化设计方案可实现：^147Pm单次衰变在能量转换单元中沉积的能量为28．2keV;同位素电池的短路电流密度为1．636μA／cm^2,开路电压为3．16V,能量转化率为13．4％．     

基于摩擦纳米发电机的电刺激方式对Ag/ZnO纳米线抗菌性能的影响

本文基于摩擦纳米发电机构建了电场刺激式和电流刺激式两种Ag/ZnO纳米线抗菌系统来探究不同电刺激方式对抗菌性能的影响.采用摩擦纳米发电机为该抗菌系统供电,摩擦纳米发电机能够将生物体运动的机械能转变为电能,采用大肠杆菌为杀菌对象.实验结果发现,电刺激能够显著增强该体系的杀菌效率,最高可将杀菌率提高51.71％(P＜0.0...     

摩擦电子学及主动式机械感知

摩擦电子学作为摩擦电与半导体耦合的新研究领域,可以通过机械运动产生的摩擦电荷调控半导体中的电传输与转化特性,建立外界环境与半导体器件的直接交互机制,实现各种主动式功能器件,为人机交互、微纳机电系统、传感和自驱动系统等应用提供全新的思路和途径.本文系统地综述了摩擦电子学的研究进展,首先介绍了摩擦电调控场效应作用机理以及摩擦电子学晶体管基础器件;其次介绍了研制的各种摩擦电子学功能器件,展示了其对于外部环境的主动式机械感知;最后对摩擦电子学领域的研究进展及待解决的问题的进行了总结,并展望了该领域未来的发展方向.     

基于薄膜拍打型摩擦纳米发电机的风能收集研究

大量无线传感器网络节点的能量供给是目前限制物联网技术发展的一个瓶颈.作为新型能量收集技术,摩擦纳米发电机在环境能量收集方面有着显著优势,为解决无线传感节点供电问题提供了技术思路.本文基于摩擦纳米发电机和风致振动原理,提出并系统研究了一种薄膜拍打型摩擦纳米发电机(FF-TENG),实现了风能高效收集.本文采用仿真软件分析...     

液体-固体接触中界面电子转移的过程与EDL结构的两步走机理模型

液体-固体(L-S)界面科学是化学、催化、能源甚至生物学中最重要的表面科学, L-S界面双电层(EDL)的形成是由于在固体表面吸附了一层电荷,使液体中的离子重新分布.虽然人们总是假设固体表面最初便存在一层离子电荷,但这层电荷的起源与属性却没有得到广泛的探索,而最近的研究表明,在L-S界面电荷层形成的初始阶段,电子传递起着主导作用.本文综述了近年来在液体-固体接触起电中,包括液体-绝缘体、液体-半导体和液体-金属的电子传递方面的研究进展.考虑到L-S界面上电子传递的存在,重新讨论了EDL的形成,并展望了液液接触起电的模型.     

汽车制动过程中摩擦层结构的发展及其对摩擦性能的影响

汽车制动过程中摩擦材料和摩擦盘表面形成摩擦层,摩擦层的组成和结构与摩擦材料的本体组成和结构不同.摩擦层结构的生成与破坏过程即摩擦层结构的发展是理解摩擦材料组成和摩擦性能关系的桥梁.本文综述了汽车制动过程中摩擦层形成的两种主要机理：磨屑聚集和物质选择性转移,分析了这两种机理在摩擦材料表面形成摩擦层结构生成与破坏的发展过程,讨论了摩擦层结构发展对摩擦系数和磨损率的影响.     

热释电光电子学效应

光探测器作为一种将光能转换为电能的电子器件,在军事医疗、遥感通信等方面被广泛地应用.当半导体材料中同时产生光电和热释电时,器件的输出电流及光照时的光响应度,探测率等性能有明显的提升.因此,基于热释电-光伏-半导体三者协同耦合产生的热释电光电子学效应被作为提升光电器件性能的一种有效手段,被应用在多个领域.当器件被光照射时,光感应产生的热释电势对器件接触界面的内建电场进行调制,从而改变载流子的传输过程,而不同类型的材料与半导体接触时形成的内建电场和热释电电势各不相同,因此产生的热释电光电子学效应也存在差异.本文首先介绍了热释电光电子学效应的原理,然后研究了不同类型的材料与半导体接触时产生的热释电光电子学效应对器件电学性能的影响,具体包括半导体与半导体、半导体与金属、半导体与有机物以及半导体与氧化物接触;此外,对提升热释电光电子学效应的方法进行了介绍,包括压电-热释电-光电、铁电-热释电-光电等多物理场协同作用,以及对材料进行掺杂等方法;最后对热释电光电子学效应面临的挑战及在未来的发展作了进一步的展望.     

尺寸依赖的界面能与界面应力

随着低维材料尺寸的减小,表面体积比急剧增加,界面能和界面应力对材料性能的影响显著增加。然而,目前人们对这些物理量,尤其是对其大小的尺寸效应的了解还很少。根据经典热力学理论,本文介绍了一系列无自由参数的、可模拟不同性质界面的块体和尺寸依赖的界面能以及相应的界面应力模型。已有的不同结合键类型的低维材料的实验和其它理论结果证实了模型的预测。     

电沉积修复裂缝中离子迁移的Debye层效应

电场作用下电解质离子在裂缝中的迁移规律直接关系到混凝土裂缝电沉积修复的效果.经典的Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程假定电解质离子为理想的质点模型,忽略了离子和裂缝的尺寸效应,难以揭示电解质离子在极端受限条件下纳米裂缝中的迁移规律.本文以双电层厚度为物理基础,建立了电沉积修复中离子迁移的几何模型,...     

压电光子学效应及其应用

近年来,压电光子学作为一个新兴的研究领域吸引了学者们的广泛关注.压电光子学效应是压电半导体的压电极化和光激发的耦合,是利用应变诱导的压电极化调控材料能带结构进而控制电子-空穴的复合发光过程.压电光子学效应为新光源、智能触觉传感和机械光子学等重要技术提供了研究基础,尤其结合第三代、第四代半导体材料同时具有压电效应和半导体特性的优势,有望实现高性能的力-致发光器件.本文简要介绍了压电光子学效应的基本原理、材料体系以及压电光子学器件的研究进展,并对这一学科的未来发展进行了展望.     

光滑粒子流体动力学（SPH）中摩擦接触的模拟

光滑粒子流体动力学（SPH）无网格法是岩土体崩塌与流动大变形计算的有力工具,但是,如何在SPH框架内模拟摩擦接触现象尚无系统方法,迫切需要开展研究．提出一种在SPH框架内模拟土与刚性或柔性结构摩擦接触的算法,该算法根据所存在的接触边界,将计算域分解为若干个子域,以接触力为桥梁在各子域间建立联系,最终实现接触问题的整体求解．在各子域内对土体的运动控制方程进行SPH离散时,修正了SPH固有的边界缺陷,使得位于接触边界附近的SPH粒子具有准确的加速度,保证了接触探测的精度．然后,假设允许土体SPH粒子局部侵入结构体,根据允许的残余侵入量,运用动量原理,计算沿接触面法向和切向的接触力,并应用滑移条件对切向力进行修正使其不超过极限摩擦力．与现有的在SPH中处理接触通常采用“粒子．粒子”接触或忽略摩擦滑移的方法相比,方法具有更高的计算效率和精度,适用于岩土材料与刚性或可变形结构之间相互作用的模拟．通过多个算例对此方法的精度和稳定性进行了验证,计算表明,基于接触算法的SPH计算成果与理论解或有限元解吻合很好,算法是有效的,可用于拓展SPH的计算能力与应用范围．     

摩擦处理的取向膜表面液晶分子取向度

液晶取向问题是液晶器件中的最关键问题. 定量分析了摩擦取向处理后, 取向膜表面的液晶分子取向度, 用红外二向色性吸收实验证实了取向膜表面的液晶分子取向度是液晶体内部的1/3~1/2.     

摩擦磨损的热力学研究：现状和展望

摩擦系统的复杂性和影响因素的多样性使摩擦学理论远落后于工业的需求．本文回顾并从统计热力学熵的角度讨论了摩擦的本质,分析了摩擦磨损研究的方法和摩擦体系热力学研究的现状．认为熵能够成为表述摩擦磨损过程演变的主参量,熵平衡方程可望作为摩擦学理论的基石．展望摩擦体系的非平衡态热力学在摩擦学相关领域的应用前景．     

植物摩擦型根-岩土相互作用的初步研究

草本、灌木植物及木本植物的侧根与岩土体相互作用是类似的,都对边坡岩土体起到摩擦加筋的作用,使边坡土体成为土与根的复合材料,在浅层边坡岩土的加固中起到重要作用,从而提高土体强度,达到使边坡浅层土体稳定的目的.但是目前的研究仍然停留在定性地分析根与土体的作用关系上,本文试图在定量分析摩擦型根和岩土相互作用原理方面做些探索性的工作,通过对草本植物的根系(包括木本植物的侧根系)与岩土体的相互作用的研究分析,建立了摩擦型根-土力学作用模型,运用云南松野外实验结果验证了模型预测的正确性.力学模型的建立为定量地分析植物根系与土体的相互关系提供了重要的理论指导,具有一定应用价值.     

纳米发电机应用:自驱动系统

智能传感是未来数字社会和智能社会的基础.然而,如何给数量庞大、分布广泛的各类传感节点提供持续的电源供给是一项巨大的挑战.摩擦纳米发电机(TENG)是近年来兴起的一种新型的机械能量收集技术,可以有效地将低频、低幅的机械能量转换为电能,一方面可以实现自主的、自驱动的机械信号传感;另一方面可以与能量存储器件集成,实现自充电的电源系统.同时,由于TENG在材料选择和结构设计上的多样性,适宜的应用场景非常广泛.因此,本文系统介绍TENG在自驱动系统方面的应用研究进展,主要包括自驱动传感和自充电系统两方面的典型研究工作,最后分析展望了现有研究的挑战和未来的潜在方向.     

机械密封端面间液膜摩擦热的传热规律

建立了由机械密封的动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统,研究了液膜摩擦热的传热规律．影响传热规律的主要因素有密封环对介质的给热系数、摩擦热流密度和摩擦热的分配系数等．推导了密封环与液膜的温度分布方程,在考虑液膜黏度随温度变化的基础上,对液膜的摩擦热和密封环的热变形进行了耦合分析,确定了变形端面之间的夹角．研究表明,液膜摩擦热对液膜特性和密封性能的影响显著,其不仅改变了端面间的间隙形式,而且使液膜黏度减小,导致泄漏率增加．传热系统的最高温度位于液膜内径处,绝大部分摩擦热通过动环传递到介质中．依据提出的传热分析方法,可确定密封环的最佳几何尺寸并选择合适的密封环材料．     

金属多层的强度及界面强化能力研究进展

介绍了近年来内外有关金属多层强度及其界面强化能力研究的进展.结合近年来的研究结,分析并总结了金属多层强化的物理机制以及界面强化能力的,并对金属多层研究的发展趋势进行了展望.已有结表明,金属多层的强度通常随组元层的单层厚度减小而逐渐增大,并符合类似Hall-Petch的强化关系,但当单层厚度小于某一临界值以后,不同体系多层的强度与单层厚度之间偏离了Hall-Petch关系,表现出不同的变化趋势;金属多层的界面类及结构对其强化能力有显著影响,同时也影响金属多层的塑性变和断裂行为.     

纳米发电机与微纳能源收集

当下对于分布式传感监测的应用需求快速发展,供电问题一直有待解决. Triboelectric Nanogenerator (TENG)可有效收集环境或生命体运动的机械能,从而为相关的电子器件提供持续的电能,具有重要研究价值和应用前景.本综述将聚焦TENG在微纳能源领域中的应用,从器件的原理、结构和实际应用的角度,展开论述,最后进行总结和展望.