新型功能材料——声子晶体

声子晶体是20世纪90年代初提出的一种新型声学功能材料，这种周期性弹性结构具有许多重要性质，如声波带隙特性，即处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播。通过求解声波在晶体中的运动方程可以设计一定的声子禁带和允带，而声子禁带与声波异质结构中声子的安德森局域化问题密切相关。文章重点阐述了声子晶体的主要特征、理论研究方法、潜在应用及前景展望。     

基于局域共振单元实现声子晶体低频多通道滤波

从理论上提出一种由局域共振单元组成的声子晶体低频多通道滤波模型.在二维三组元局域共振声子晶体中引入不同填充率的共振单元构成波导结构,通过有限元法计算出其能带结构、透射曲线和透射场图.结果显示:这种设计能够在低频带隙范围内不同填充率散射体的共振频率附近产生新的分立模,且这些分立模能够使相应的声波在声子晶体中沿波导方向传播;这些分立模只与相应的共振单元相关,抗干扰能力强.所得结果为低频多通道滤波器的设计提供了一种新的理论依据.     

耦合共振在材料科学中的应用

通过对材料点、线、面等几类不同缺陷的电子结构和声子激发研究的回顾，特别是对它们的声子激发及其局域振动模式分析，给出了材料缺陷导致的材料局域振动模式的微观图像；分析了多原子分子所具有的高频局域振动态以及采用超声或激光方法激发获得长寿命局域振动的基本原理；提出了一种能够利用耦合共振原理进行材料缺陷局域原子结构非接触调整的方法     

局域共振复合单元声子晶体结构的低频带隙特性研究

本文提出了一种新型局域共振复合单元声子晶体结构, 并结合有限元方法对结构的带隙机理及低频共振带隙特性进行了分析和研究. 共振带隙产生的频率位置由所对应的局域共振模态的固有频率决定, 并且带隙宽度与局域共振模态的品质因子及其与基体之间的耦合作用强度有关. 采用局域共振复合单元结构可以实现声子晶体的多重共振, 在低频范围能打开多条共振带隙, 但受到共振单元排列方式的的影响. 由于纵向和横向局域共振模态的简并, 复合单元结构能在200 Hz以下的低频范围打开超过60%宽度的共振带隙, 最低带隙频率低至18 Hz. 这为声子晶体结构获得低频、超低频带隙提供了一种有效的方法. 关键词： 局域共振 低频带隙 复合单元 声子晶体     

一维准周期结构声子晶体透射性质的研究

提出了一维准周期结构的声子晶体模型.对弹性波通过该一维准周期结构声子晶体的透射系数进行了数值计算，并与周期结构的透射系数进行了比较.计算结果表明，弹性波通过一维准周期结构声子晶体时，同样会有带隙的出现，且带隙所在频率范围与周期结构的情形完全一样，不同的是在准周期结构声子晶体中，带隙内有很强的局域共振模.对此局域模性质的研究有助于声波或弹性波滤波器的制作. 关键词： 准周期结构 声子晶体 局域化     

基于二硫化钼的可调一维声子晶体

声子晶体所具有的负折射率、 局域缺陷态与弹性波带隙等特性, 使其在声学隐身、 声学波导以及减震降噪等方向展现了巨大的潜力. 同时, 二硫化钼优异的电学和力学性能使其成为制备纳米机电器件的理想材料. 将单层二硫化钼转移到预先图案化的周期性结构上, 可以制备出纳米尺度的声子晶体器件. 本文设计了一种通过将单层二硫化钼转移贴合在预先制备的周期性沟槽阵列上, 形成一维声子晶体的方案. 有限元分析表明, 这种声子晶体在MHz 范围存在声子能带结构, 可以实现对声波传播的控制. 我们可以通过改变结构参数, 或者通过改变施加在栅电极上的电压, 对能带进行调控. 这种结构为开发基于二维材料的纳米尺度的声子晶体器件提供了可能性.     

局域共振型声子晶体中的缺陷态研究

本文以二维固体局域共振声子晶体为例,对次波长区域缺陷态的实现机理及其特点进行了探讨.众所周知,工作于次波长区域的声子晶体可以用有效媒质理论来描述,其色散关系对其构成单元的排列结构并不敏感,因而使得共振型声子晶体的带结构难以被其构成单元的局域空间无序所打破.本文发现共振型声子晶体在其带隙附近的色散关系可由共振单元间的长程相互作用来理解.基于这一理解,对目前文献中提出的两种实现局域态的方法进行了研究,结果表明缺陷态的引入正是通过打破这种长程相互作用来实现的.另外,在此理解的基础上,通过引入非各向同性"缺陷"共振单元,实现了纵波与横波导波模式的分离.     

电声子相互作用对半导体超晶格动力学局域化的影响

本文用单带模型分别研究了直流外场和交流外场作用下，电声子相互作用对半导体超晶格的动力学局域化性质的影响。结果表明：电声子相互作用会破坏电子的动力学局域化。对同一声子频率，电声子相互作用的强度越大，电子越快被散射；当声子频率等于直流场的布洛赫频率或交流场频率时，初始局域在某一格点的电子被迅速地散射到其他格点上去，亦即光声子共振场会严重破坏电子的动力学局域化性质。     

X形超阻尼局域共振声子晶体梁弯曲振动带隙特性

以声子晶体理论为基础,设计了一种具有超阻尼特性的X形局域共振结构,分析了周期性附加X形局域共振的梁弯曲振动传播特性.利用拉格朗日方程分析了X形局域共振结构动力学等效特性,揭示了该结构的阻尼放大的机理,分析了几何结构参数对于带隙特性的影响,并利用有限元法验证了X形局域共振结构的超阻尼特性.研究结果表明,周期性附加X形局域结构能够有效地抑制低频弯曲振动在梁中的传播,产生超阻尼特性,实现低频、宽带的减振效果,为结构的低频减振提供了一个新的设计方案.     

一维亥姆霍兹共振腔声子晶体中缺陷模式的实验研究

基于亥姆霍兹共振腔单元设计并制作了一种一维局域共振型声子晶体, 针对结构中存在点缺陷的情况, 进行了实验研究. 实验结果表明, 由于点缺陷的存在, 局域共振型声禁带中出现了缺陷模式, 并且在缺陷单元周围引起了能量的局域现象, 与理论结果符合较好. 缺陷单元从两个不同的方向趋近于完美单元时, 缺陷模式分别按照不同的规律变化, 但是越靠近禁带边缘, 所局域的能量就越多. 另外, 当缺陷单元共振频率小于完美单元共振频率时, 局域能量主要集中在声波导内; 反之, 局域能量则主要集中在共振腔内. 本研究对设计新型低频声滤波装置及高声强集中装置具有一定意义. 关键词： 亥姆霍兹共振腔 声子晶体 缺陷模式 能量局域化     

弹性波通过一维复合材料系统的透射性质

提出了不同结构的一维弹性波复合材料系统模型,包括一维周期结构声子晶体、标准Fibonacci准周期结构声子晶体、广义Fibonacci准周期结构声子晶体以及完全无序结构的复合材料系统. 采用模式匹配理论法,数值计算了弹性波通过一维复合材料系统的透射系数. 计算结果表明,利用特殊的准周期结构声子晶体可获得比周期结构声子晶体更宽的带隙范围,准周期结构排列的复合材料系统相当于在周期结构中引入了缺陷体一样,带隙内出现了丰富的局域模式. 对弹性波/声波在复合材料系统中局域态性质的研究有助于弹性波/声波滤波器、导波器 关键词： 弹性波复合材料 局域化     

含各向异性左手材料一维光子晶体的传输特性分析

采用光学传输矩阵方法,研究了由各向异性左、右手材料交替排列构成的一维人工周期结构的带隙结构和传输特性,讨论了反射率随入射角度的变化关系。结果表明,含各向异性左手材料的光子晶体比传统的光子晶体有更宽的禁带;含各向异性左手材料的一维光予晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对某一低频波段的全方位反射;通过适当选取左手材料的参数,禁带中会出现狭窄的透射峰。     

Hypersonic modulation of light in three-dimensional photonic and phononic band-gap materials

The elastic coupling between the a-SiO2 spheres composing opal films brings forth three-dimensional periodic structures which besides a photonic stop band are predicted to also exhibit complete phononic band gaps. The influence of elastic crystal vibrations on the photonic band structure has been studied by injection of coherent hypersonic wave packets generated in a metal transducer by subpicosecond laser pulses. These studies show that light with energies close to the photonic band gap can be efficiently modulated by hypersonic waves.     

Band structures of two dimensional solid/air hierarchical phononic crystals

The hierarchical phononic crystals to be considered show a two-order “hierarchical” feature, which consists of square array arranged macroscopic periodic unit cells with each unit cell itself including four sub-units. Propagation of acoustic wave in such two dimensional solid/air phononic crystals is investigated by the finite element method (FEM) with the Bloch theory. Their band structure, wave filtering property, and the physical mechanism responsible for the broadened band gap are explored. The corresponding ordinary phononic crystal without hierarchical feature is used for comparison. Obtained results show that the solid/air hierarchical phononic crystals possess tunable outstanding band gap features, which are favorable for applications such as sound insulation and vibration attenuation.     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

光折变材料的带隙结构研究

利用光子晶体的概念和时域有限差分方法计算了当光折变材料的空间折射率呈一维正弦变化时其内部的带隙结构情况,表明在光折变材料中存在极窄的光子带隙。最后讨论了折射率(n)、折射率调制幅度(△n)、周期长度(D)及周期数(N)对光子带隙的影响。     

含负折射率材料的异质结构光子晶体的光学传输特性

利用传输矩阵法研究了正负折射率材料构成的异质结构光子晶体的光学传输特性。结果表明:当入射波正入射时,在这种异质结构光子晶体内出现了光子带隙,并且带隙内出现了3个极窄的透射峰,这是正负交替光子晶体和常规材料构成的同周期一维异质结构光子晶体所不具有的新颖物理特性。计算了这种异质结构光子晶体的透射谱。发现:这3个透射峰不敏感于入射角的变化,而在带隙两侧的透射峰则会随着入射角增大统一向带隙靠近;能带敏感于晶格厚度和周期数的变化。     

Enhancement of phononic band gaps in ternary/binary structure

Based on the transfer matrix method (TMM) and Bloch theory, the interaction of elastic waves (normal incidence) with 1D phononic crystal had been studied. The transfer matrix method was obtained for both longitudinal and transverse waves by applying the continuity conditions between the consecutive unit cells. Dispersion relations are calculated and plotted for both binary and ternary structures. Also we have investigated the corresponding effects on the band gaps values for the two types of phononic crystals. Furthermore, it can be observed that the complete band gaps are located in the common frequency stop-band regions. Numerical simulations are performed to investigate the effect of different thickness ratios inside each unit cell on the band gap values, as well as unit cells thickness on the central band gap frequency. These phononic band gap materials can be used as a filter for elastic waves at different frequencies values.     

Designing broad phononic band gaps for in-plane modes

Phononic crystals are known as artificial materials that can manipulate the propagation of elastic waves, and one essential feature of phononic crystals is the existence of forbidden frequency range of traveling waves called band gaps. In this paper, we have proposed an easy way to design phononic crystals with large in-plane band gaps. We demonstrated that the gap between two arbitrarily appointed bands of in-plane mode can be formed by employing a certain number of solid or hollow circular rods embedded in a matrix material. Topology optimization has been applied to find the best material distributions within the primitive unit cell with maximal band gap width. Our results reveal that the centroids of optimized rods coincide with the point positions generated by Lloyd's algorithm, which deepens our understandings on the formation mechanism of phononic in-plane band gaps.     

人工带隙材料的拓扑性质

近年来,人工带隙材料(如声子晶体和光子晶体)由于其优异的性能,已成为新一代智能材料的研究焦点.另一方面,材料拓扑学由凝聚态物理领域逐渐延伸到其他粒子或准粒子系统,而研究人工带隙材料的拓扑性质更是受到人们的广泛关注,其特有的鲁棒边界态,具有缺陷免疫、背散射抑制和自旋轨道锁定的传输等特性,潜在应用前景巨大.本文简要介绍拓扑材料特有的鲁棒边界态的物理图像及其物理意义,并列举诸如光/声量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体等相关工作;利用Dirac方程,从原理上分析光/声拓扑性质的由来;最后对相关领域的发展方向和应用前景进行了相应的讨论.