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...     

巨压电弛豫铁电单晶及其在医用超声换能器中的应用

压电材料是一类非常重要的多功能材料。它可以实现机械能和电能之间的相互转换,在机电器件和电声领域有广泛的应用。基于宽频带超声波换能器、高灵敏度传感器和大应变执行器等压电器件的发展需求,迫切地需要研发出具有更大压电应变常数和更高机电耦合系数的压电材料。弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(化学分子式(1-x)Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-xPbTiO_3简称PMN-xPT或PMN-PT)及其同类单晶(简称弛豫铁电单晶)的发现恰逢其时,它们所具有的巨压电性和极高的机电耦合系数使得很多机电器件的性能有了一次大幅度的改进。例如:PMN-33%PT单晶的压电常数d_(33)高达2800 pC/N,是通用的压电材料PZT压电陶瓷的5倍,其机电耦合系数k_(33)也高达94%,而最好的PZT的机电耦合系数k_(33)也只能达到70%。本文系统地介绍了弛豫铁电单晶材料及其在医用超声换能器方面的应用进展。     

新型弛豫型铁电单晶PMNT的铁电与压电性能

用改进的Bridgman法生长出尺寸达40mm× 80mm的新型弛豫型铁电单晶PMNT .对其铁电、压电性能的表征研究表明 ,该晶体的性能随组分与切型变化 . ( 0 0 1 )切型的PMNT76 /2 4单晶的介电常数ε为 34 0 0左右 ,介电损耗tanδ <0 .7% ,压电常量d3 3 达到 980pC/N ,机电耦合因数kt 为 0 .5 5 ,Tc 约为 1 1 0℃ . ( 0 0 1 )切型的PMNT 6 7/33单晶的ε达 5 30 0左右 ,tanδ <0 .6 % ,d3 3 最大达 30 0 0pC/N ,kt 达 0 .6 4 ,k3 3 达 0 .93,Tc 约为 1 5 0℃ . ( 1 1 0 )与 ( 1 1 1 )切型的压电性能远低于 ( 0 0 1 )切型 .用此法生长的三方相的PMNT单晶的压电性能超过传统的高温溶液法 ,且其kt 值亦大于三方相的PZNT单晶 .PMNT单晶的铁电与压电性能尚存在一定的波动 ,这与晶体成分均匀性与单畴化程度等因素有关 .     

同步抽运飞秒光参量振荡器中的载波-包络相位控制及其应用

同步抽运飞秒光参量振荡器(OPO)以及抽运源所构成的飞秒脉冲系统具有内在同步、多波长脉冲输出以及各脉冲的载波-包络相位(CEP)的内在关联等特性, 在超宽频率梳以及脉冲的相干合成方面具有先天的优势. 本文阐述了一系列该研究方向的最新成果, 诸如探讨了OPO内载波-包络相位与能量守恒的关系, 并通过实验进行了检验; 利用自参考法控制了作为抽运源的飞秒钛宝石激光器CEP, 并通过压电陶瓷(PZT)锁定了其脉冲重复频率; 利用OPO产生的非相位匹配可见光, 并以抽运光的超连续作为参考, 通过OPO端镜上的快速PZT控制了OPO产生的所有脉冲的CEP, 从而获得400 nm~2.4 μm超宽频率梳, 控制精度高于1.2 kHz带宽; 并利用波长相近相位锁定的抽运光以及信号光倍频实现了不同脉冲的相位相干, 为产生极窄的合成光脉冲打下了基础.     

高功率、长寿命GaAs光电导开关

通过改进GaAs光导开关衬底材料研制工艺、机械结构设计、欧姆电极研制工艺、绝缘封装工艺和脉冲电源馈电方式,研制了3mm异面电极的GaAs光导开关.在56.12μJ光能激励、1kHz重频、15kV偏压、50?负载实验条件下,测得光导开关使用寿命超过3.6×106次,输出电脉冲峰值功率2MW、脉冲宽度2ns、触发抖动方均根值为65ps;最高工作电场达到100kV/cm,对应峰值功率达到10MW;实验还给出了光导开关电压转换效率、触发抖动随偏压升高的测试结果;考虑GaAs对1064nm光吸收系数随电场的变化,定量分析了光导开关电压转换效率随偏压变化的实验现象.     

新型弛豫型铁电单晶PMNT的铁电与压电性能

用改进的Bridgman法生长出尺寸达40 mm×80 mm的新型弛豫型铁电单晶PMNT.对其铁电、压电性能的表征研究表明,该晶体的性能随组分与切型变化.(001)切型的PMNT76/24单晶的介电常数ε为3400左右,介电损耗tanδ<0.7%,压电常量d33达到980 pC/N,机电耦合因数kt为0.55,Tc约为110℃.(001)切型的PMNT 67/33 单晶的ε达5300左右,tanδ＜0.6%,d33最大达3000 pC/N,kt达0.64,k33达0.93,Tc约为150℃.(110)与(111)切型的压电性能远低于(001)切型.用此法生长的三方相的PMNT单晶的压电性能超过传统的高温溶液法,且其kt值亦大于三方相的PZNT单晶.PMNT单晶的铁电与压电性能尚存在一定的波动,这与晶体成分均匀性与单畴化程度等因素有关.     

磷酸铝(α-AIPO_4)晶体中的巴西双晶

磷酸铝晶体是一种性能优良的压电晶体材料,其压电常数和机电耦合系数均比水晶大。实验室里已经能成功地生长出质量较好的晶体。为了进一步提高磷酸铝(α-AlPO_4)晶体的质量,本文用光学法和X射线形貌术研究了该晶体的巴西双晶的形态和成因,其主要结果如下:1.大小菱面(R·r)上的巴西双晶是以“V”字形截面为特征的,“V”字形的尖端有一个或数个位错蚀坑(如图1),尖端指向z方向。用研磨、抛光、再腐蚀的方法显示“V”形巴西     

透明铁电薄膜的织构生长及薄膜铁电性研究

钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅镧等铁电陶瓷已在压电、热释电器件中得到广泛的应用,其薄膜形式由于能集成化,可用于多种微电子器件,如非挥发性存储器(NVFRAM)、声表面波器件(SAW)、光开关、波导、调制器等,在微电子和光电子领域有巨大应用潜力。掺镧钛酸铅薄膜有较强的电光特性,铁电薄膜的制备方法常用的有磁控溅射、Sol-Gel和MOCVD,磁控溅射在精确控制薄膜的化学计量比上有困难,Sol-Gel和MOCVD工艺要求特殊的金属有机化合物;脉冲激光沉积(pulsed laser deposition)方法,简称PLD,用陶瓷作靶材可以保持靶、膜成分一致,能在大氧压下沉积高熔点材料,目前采用PLD技术已成功地制备出YBCO,PZT等多种薄膜。在硅衬底上以PLD法制备多晶(Pb,La)TiO~3薄膜已有报道。     

掺铁Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.26PbTiO3单晶的生长及性能研究

采用改进的布里奇曼法(坩埚下降法)生长了掺0.3%(摩尔分数) Fe的0.74Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃- 0.26PbTiO₃(PMN-0.26PT)单晶. 系统研究了该单晶的生长、结构、介电和热释电性能, 并与纯PMN-0.26PT单晶进行了比较. 研究发现, 掺杂晶体的畴宽度明显大于纯晶体; 单晶的矫顽场和剩余极化都明显增大; 在居里温度以下, 介温谱上出现两个大的异常, 温度较纯晶体更接近于室温. 实验结果表明, 掺杂离子通过缺陷偶极对2Fe′_Ti -V^••_o对畴起钉扎作用, 增加了晶体的矫顽场, 降低了晶体的介电常数和介电损耗, 提高了晶体的探测优值, 并保持高的电压响应优值, 这对PMN-PT单晶的实际应用非常有利. 这种高性能的热释电和压电单晶的掺杂改性研究将会更好地增进对其高性能本质的理解.     

一种压电压力传感器的防热方法

论述压电压力传感器被测量气流加热出现失真的来源. 研究结果指出干扰信号来源于传感器前端膜片受热膨胀使晶体片预载荷减载和晶体片升温产生的热电电荷. 在传感器前端膜片外表面粘贴塑料薄膜后, 则在测量期间可有效防止传感器前端膜片和晶体片被气流加热. 给出了隔热薄膜厚度的估算方法.     

Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-30%PbTiO3弛豫铁电单晶的异常压电响应行为

利用高真空度扫描力显微术(HV-SFM)的压电响应模式原位研究了Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-30%PbTiO₃ (PMN-PT)弛豫铁电单晶(111)晶面的压电响应行为. 观察到与单晶束缚电荷补偿机制密切关联的异常的压电响应行为. 高真空度条件下的压电响应退化行为与本征屏蔽电荷不足以补偿极化电荷所引起的极化状态的不稳定性有关. 而大气环境下相当强的压电响应信号源于表面吸附机制所致的表面束缚电荷对畴状态较强的稳定作用.     

(1-x)Pb(Sc_(1/2)Ta_(1/2))O_3-(x)PbTiO_3二元系铁电陶瓷的压电特性

已有的研究表明,二元系铁电陶瓷(1-x)Pb(Sc_(1/2)Ta_(1/2))O_3-(x)PbTiO_3在介电、热电、光电方面都有广阔的应用前景.本文研究了该材料的压电特性,发现在准同型相界(x=0.45)附近,压电应变常数d_(33)和机电耦合系数k_t,k_p,k_(33)达到极值,而机械品质因数Q_m达到最小值.这种具有高机电耦合特性和低Q_m的压电材料特别适用于制备宽带滤波器、水声换能器及医学超声换能器件.     

高脉冲能量大模场面积光子晶体光纤飞秒激光器

报道了一种支持高单脉冲能量输出的被动锁模飞秒光纤激光器. 该激光器使用具有极低非线性系数的掺Yb³⁺双包层大模场面积偏振光子晶体光纤作为激光增益介质, 具有很好的环境稳定性. 激光器基于线形腔结构, 没有色散补偿, 利用半导体可饱和吸收镜 (SESAM)实现自启动锁模, 获得了平均功率为2.5 W, 重复频率为51.4 MHz (对应于50 nJ的单脉冲能量), 脉冲宽度为4.2 ps的稳定的连续波锁模脉冲输出. 经腔外色散补偿, 脉冲宽度压缩至410 fs. 当激光器输出功率比较低时, 脉冲成形由SESAM的非线性吸收决定, 而在高功率输出的情况下, 激光器的锁模运转主要取决于自相位调制展宽光谱与增益带宽的限制之间的平衡.     

热压烧结LKNN铁电陶瓷的介电热电特性

由于陶瓷材料的物化性能稳定,容易制造,便于批量生产而引起人们的广泛注意,过去人们的注意力主要集中在PZT陶瓷系列的改性研究,但是近年来铌酸盐系陶瓷(如钽铌酸钾、铌酸钾钠等)也引起人们的关注,传统烧结方法制备的铌酸锂钾钠压电陶瓷的压电性能的研究已有报道,我们改用通氧热压烧结工艺系统地研究了组分、工艺条件等对铌酸锂钾钠陶瓷     

啁啾优化飞秒脉冲抽运GaP产生高功率0.3mW宽带太赫兹波

在基于光整流效应的PCF飞秒激光抽运GaP晶体产生宽带THz波的实验中,重点研究了抽运脉冲特性与THz产生效率的关联性.证明了GaP晶体辐射THz波的效率与抽运脉冲的啁啾特性相关;在相同脉冲宽度抽运下,负啁啾脉冲更加有效,这对于基于飞秒激光抽运产生THz波的其他方法有指导意义;并通过优化预赋抽运脉冲的负啁啾量,在抽运功率21 W的条件下,获得了0.3 mW的高重复率宽带THz波输出.     

有机晶体MHBA倍频半导体激光获得紫光输出

蓝紫激光光源在未来的光盘存储技术上将显示出重要价值,波长越短,记录密度越高.因此,解决小型、稳定实用的蓝紫光源是当今国际上研究的热点,多渠道研究竞争十分激烈.KN晶体和KN,LN,LT,KTP波导均可实现半导体激光倍频的蓝紫光输出.KN晶体倍频效率高,但须温度调制,温度半宽窄.415nm紫光输出时,温度为-22.5℃,半宽为±0.25℃;波导倍频存在     

眼泪能发电

<正>我们的眼泪中含有溶菌酶,它能溶解细菌的细胞壁,保护双眼免受病菌感染。最近一项研究发现,溶菌酶晶体具有压电性。简而言之,在受到压力时,溶菌酶晶体能将机械能转化为电能。压电材料在各种机械中应用非常广泛,手表中的石英就是一种典型的天然压电材料。但与其他材料不同的是,溶菌酶对人体安全无害,可以作为医用材料。研究人员认为,未来溶菌酶也许可以为某些植入人体的医用设备供电。当然,要     

叙永石的Hugoniot物态方程及高岭石→莫来石转变机制的初步分析

用阻抗匹配法和PZT压电探针技术 ,在 100GPa的冲击压力范围内测量了两种孔隙度的叙永石样品的Hugoniot物态方程 ,发现其存在低压和高压两个相区 .通过用热力学叠加原理计算的理论Hugoniot物态方程与实测结果的对比 ,确定了其高压相区的矿物组分 ,并据此分析其相变机制 .这一新的途径确认 :高岭石→莫来石高温高压转变过程中存在SiO₂ 和Al₂O₃ 的大量分凝 ,由SiO₂ 和Al₂O₃ 反应生成莫来石是形成莫来石的主要途径.     

高温压电复合材料换能器

探讨了高温压电复合材料超声换能器中材料的温度性能问题.首先测量了一种改性的具有较高居里温度的压电陶瓷和一种具有耐高温性能的聚合物的材料常数随温度的变化曲线,然后利用ANSYS有限元软件模拟计算了1-3型压电复合材料的谐振频率和阻抗特性等受温度的影响,并根据优化仿真模型制备了1-3型高温压电复合材料晶片及相应的超声换能器.研究表明,所研制的1-3复合晶片性能参数随温度变化的结果和数值模拟预期的结果吻合较好.与非复合的压电陶瓷换能器相比,采用1-3复合结构的高温压电换能器具有更宽的频带和更高的灵敏度.本项工作对于研发宽频带、高灵敏度的耐高温压电复合材料超声换能器具有参考价值.     

无级变速器电液控制系统研究

无级变速器(CVT)电液控制系统是无级变速器控制的核心, 文章研究了一种采用高速开关网控制的无级变速器电液控制系统,分析了高速开关阀PWM信号的控制原理和控制方法.进行了无级变速器速比控制试验.试验结果证明,无级变速器电液控制系统能够满足无级变速器实际速比控制的需要.