基于弛豫型铁电三元共聚物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯代偏氟乙烯)热释电性能的能量采集研究

研究了利用弛豫型铁电三元聚合物薄膜P(VDF-TrFE-CFE)的热释电性质,以温度波动作为初始能量形式进行热电能量的采集。由于该聚合物薄膜在发生由温度变化诱导的纳米极性区极化机制转换时,介电常数表现出明显的非线性变化,所以可以结合Ericsson循环实现热电能量采集。实验结果显示,最佳能量采集温度区间为20~-20℃,利用不同温度下的单极性电滞回线进行Ericsson循环模拟,两种模拟方式分别实现能量采集最大值和最小值,并从微观角度给出了两种模式的解释。同时研究了温度波动和外加电场对能量采集的影响。在外加电场100 kV·mm^-1、温度波动为40℃的情况下,能量采集值达到3483 mJ·cm^-3。与单晶材料相比,能量采集值提高了10倍。当工作温度降低至室温时,材料具有柔性,在能量采集方面具有应用潜力。     

铝诱导非晶硅薄膜的场致低温快速晶化及其结构表征

铝诱导非晶硅薄膜晶化可以降低退火温度、缩短退火时间，是制备多晶硅薄膜的一种重要方法.在此基础上，通过在退火过程中加入电场加速了界面处硅、铝原子间的互扩散，实现了非晶硅薄膜的快速低温晶化.实验结果表明，外加电场，退火温度为400℃，退火时间为60min时，薄膜的晶化率大于60％；退火温度为450℃退火时间为30min时，薄膜已经呈现明显的晶化现象；退火温度为500℃退火时间为15min时，薄膜的x射线多晶峰强度与非晶峰强度之比为未加电场的3—4倍. 关键词： 非晶硅薄膜 多晶硅薄膜 外加电场     

可调谐超导滤波器技术的研究

通过研究可调谐滤波器的基本原理,利用钛酸锶铁电薄膜介电常数随外加电场变化的特性,以铝酸镧为基片,采用多层薄膜和三次套刻两种方法设计出可调谐超导滤波器,通过外加电压实现滤波器频率的调谐。     

1-3型纳米多铁复合薄膜中电场诱导的磁化研究

运用Landau-Devonshire热力学唯像理论,考虑铁电相和铁磁相的电致伸缩、磁致伸缩效应以及产生于铁电/铁磁和薄膜/基底界面的弹性应力作用,两次重整介电和磁作用系数得到了这种多铁系统在Landau自由能函数下的本征二次方磁电耦合形式,从而研究了外延1-3型纳米多铁复合薄膜中极化、磁化随薄膜厚度、温度的变化以及该薄膜中外加电场诱导的磁化变化.结果表明薄膜平面内的应压力的弛豫使得磁化强度和极化强度随薄膜厚度的增加而减少,外加电场不仅能诱导铁电相极化场翻转,而且由于铁电和铁磁相界面竖直方向的弹性耦合导致 关键词： 多铁 磁电效应 磁致伸缩 薄膜     

基于局部放电理论的聚合物电介质击穿动力学理论研究

随着电力设备电压等级的提高,对电力设备中聚合物电介质材料的可靠性提出了更加严格的要求,然而由于聚合物电介质材料在生产制造过程中不可避免的存在气泡、杂质等缺陷,导致在高电场作用下会发生局部放电从而大大降低了电力设备的使用寿命.因此,为了预防和减少电力设备中因聚合物电介质材料老化所带来的事故,需要合理地估算其电老化寿命.本文从局部放电老化模型的微观机理出发,利用非平衡态统计理论建立了电裂纹不断扩展的随机微分方程,然后推导出聚合物电介质的击穿概率、可靠性以及电老化寿命与外加电场的函数关系.最后,对聚苯二甲酸乙二醇酯(polyetllyleneterephthalate,PET)薄膜材料进行具体分析,将电老化寿命公式的理论值与实验数据作了比较,发现实验数据与理论值较为相符.因此,本文推导的聚合物电介质电老化寿命公式可以有效地应用在定量分析中,并有望为材料的电寿命预测提供帮助.     

聚偏氟乙烯在不同衬底上的结晶行为研究

利用滴涂法制备聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜,分别以载玻片、铜片、聚四氟乙烯(PTEF)为衬底研究衬底、退火时间和退火温度对PVDF薄膜结晶行为的影响。实验表明PVDF在PTEF基体上更容易结晶,这是因为PTEF是非极性基体,PVDF分子链运动在界面不受限制,能够充分地重排,利于晶体的生长;延长退火时间,PVDF分子链能够充分进行重排,形成规整的结构,提高结晶性;同时提高退火温度也有利于PVDF薄膜的结晶。另外,基体作用、退火时间和退火温度不会改变PVDF晶体结构,但会不同程度地影响α和β相的含量。     

聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)纳米薄膜极化反转与疲劳特性

采用旋涂法制备了厚度为140 nm的聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]纳米薄膜, 研究了不同退火温度以及环境相对湿度对薄膜的极化反转和疲劳性能的影响. 运用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱仪等测试技术对薄膜的微结构进行了表征. 实验结果表明, 通过不同温度的退火处理, P(VDF-TrFE)铁电薄膜的结晶度随着退火温度的升高而不断提高, 并且一定的温度范围内的退火处理可以提高薄膜的极化性能; 此外, P(VDF-TrFE) 铁电薄膜性能还表现出一定的环境湿度的敏感特性, 这与薄膜的物理性能和结构特点密切相关; P(VDF-TrFE)铁电薄膜在不同的环境湿度条件下 表现出较好的电学特性, 其漏电流均保持在10 ^-7A/cm² 的较低水平. 本工作揭示了再退火过程对薄膜的极化反转速度和疲劳恢复特性的影响, 并结合薄膜二次疲劳结果, 探讨了薄膜可逆的内部疲劳恢复特性机理.     

利用真空变温薄膜电阻实验仪测量热电材料特性参数

利用北京交通大学理学院自主开发的VTR10型真空变温薄膜电阻实验仪对热电材料的热电阻率进行了多次测量,并用该装置精确测定了热电材料的塞贝克系数,得到了热电材料的电阻率随温度变化的曲线和塞贝克系数随温度变化的曲线.     

BaO半导体薄膜在外加垂直表面电场作用下的近紫外光吸收增强现象研究

通过对真空蒸发沉积制备的BaO半导体薄膜在外加垂直表面电场作用下光吸收特性的测试, 实验上观察到BaO薄膜在近紫外波段的光吸收随电场强度的增加而明显增强.理论分析表明, BaO半导体薄膜在外加垂直表面电场作用下发生能带倾斜,价带电子隧穿带间位垒而在带隙 中出现的概率增加,近紫外波段光吸收增强是光子协助隧道穿越的结果.不同能量光子激发 下电场作用引起的BaO薄膜光吸收增强现象是夫兰茨-凯尔迪什(Franz-Keldysh)效应和斯塔 克(Stark)效应在金属氧化物半导体材料上的体现. 关键词： 金属氧化物半导体薄膜 光子协助隧道效应 电致吸收 夫兰茨-凯尔迪什效应     

聚合物材料并联双环型温度传感器的设计

利用聚合物材料折射率和温度变化之间的内在联系,设计了一种并联双环温度传感器系统,并数值模拟了以该模型为基础的聚合物材料并联双环型温度传感器。从输出的模拟波谱可以得到,随着温度的变化,输出光谱的谐振峰出现明显的位移,对于热光系数较大的聚合物材料,谐振峰的位移更加明显。温度升高1℃,谐振峰的位移为32nm。通过谐振峰的位移,可以计算出温度的变化,进一步提高测量温度的精确度。     

相场模拟应变调控PbZr_((1–x))Ti_xO_3薄膜微观畴结构和宏观铁电性能

外延生长铁电薄膜中基底失配应变能够调控微观铁电畴结构和宏观铁电性能.本文选择了三种相结构(四方相、四方和菱方混合相、菱方相) PbZr_((1–x))Ti_xO_3 (x=0.8, 0.48, 0.2)铁电薄膜,利用相场模拟研究了在不同基底失配应变(esub)作用下,三种成分铁电薄膜中微观畴结构的演化以及宏观极化-电场回线.随着应变从–1.0%变化到1.0%,三种相结构铁电薄膜的矫顽场、饱和极化值以及剩余极化值全都降低,其中PbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3薄膜的饱和极化值和剩余极化值比另外两种薄膜降低更快.模拟结果表明拉应变能提高铁电薄膜储能效率,其中准同型相界处应变提升储能效率最快.本工作揭示了应变对PbZr_((1–x))Ti_xO_3铁电薄膜中畴结构、电滞回线以及储能等方面的影响,为铁电功能薄膜材料的实验设计提供了理论基础.     

半导体温差发电过程的模型分析与数值仿真

本文提出一种新型的半导体温差发电模型,在温差发电过程的数值模拟中考虑了热电单元之间封闭腔体内空气传热的影响.同时进一步运用有限元的数值计算方法对不同电臂对数和不同型号温差发电模型的温度场、电压场进行了数值仿真计算,并对仿真结果进行分析.结果表明:采用127对热电单元模型计算的能量转换效率随冷热端温差增大而迅速提高,与采用1对热电单元模型计算的能量转换效率之差从冷热端温差为20℃的0.39%提高到冷热端温差为220℃时的5.16%,能量转换效率比1对热电单元平均高出3.02%.冷端温度恒定在30℃时,温差发电芯片的输出电压、功率以及能量转换效率均随着电偶臂的横截面积的增大而提高,且电偶臂冷热两端的温差越大提高幅度也越大,而温差发电芯片内阻则与电偶臂横截面积成反比关系,当温差为220℃时对应的输出功率最高达28.9 W.     

偏氟乙烯/三氟乙烯铁电共聚物的非晶介电弛豫

用溶液成膜、液氮淬火、熔融慢冷和热处理4种方法制得不同结晶度的VDF/TrFE共聚物试样。在已改进的介电弛豫谱仪(精度由原来的1％提高到2‰)上测得复数介电常数。从结晶度为20％的淬火试样室温以下的介电频率谱中发现了非晶介电弛豫,并由此得到了玻璃化温度与共聚物组分含量的关系。 关键词：     

外电场操控单分子的偶极取向极化特性研究

单分子偶极取向的有效操控对于提高单分子荧光收集效率及荧光共振能量转移等相关研究具有重要的意义.本文通过测量单分子荧光偏振特性的变化,研究了外部电场作用下极性单分子的偶极取向极化特性,实现了外电场对单分子偶极取向的有效操控.研究发现电场方向与单分子样品表面平行时,掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜中的取向随机分布的极性单分子荧光偏振方向呈现出双峰统计分布规律,表明在溶剂挥发过程中外电场诱导极性单分子偶极取向进行了重新分布.     

电致变色显示系统简介

只要对现有的显示系统作粗略的品评就可以看到还没有一种令人满意的显示系统具备长时间存贮的功能。电致变色现象就是因此而被引起注意的。这种现象在一些无机的及有机的材料中都能发生;它还是一种新东西,且大有潜力。 电致变色现象指的是在外加电场作用下某些材料的吸收光谱发生变化。通常,这些材料不吸收任何可见光因而是完全透明的,但是当加上适当的电场后,它就有一个位于可见光区域的吸收带而呈现出某种颜色。即使移去这个外加电场,颜色的改变还仍然保持。然而,当所加的电场的极性反转时它又回到原来的状态。所以,就可利用这种现象做显示器(可以是透射式的也可以是反射式的)的信息存贮介质,或者,作为它的一个组件。     

表面等离子体共振控制镜面反射率

对金属介电常数随温度变化的计算进行了修正,提出了利用表面等离子体共振(SPR)实现温度控制镜面反射率的方法。在Kretschmann结构中的金属膜上涂覆热光系数较大的聚合物材料,考虑该结构中各种材料介电常数以及金属膜厚度随温度的变化,利用特征矩阵法进行了数值模拟,得到SPR反射率曲线随温度的变化。模拟结果显示,当波长为532nm的p偏振光分别以70°和75°入射时,在10℃～90℃范围内调节温度,可实现反射率在52.8%～41.5%和31.1%～18.8%范围内的调节。     

应力作用下EuTiO3铁电薄膜电热效应的唯象理论研究

基于Laudau-Devonshire的热动力学模型, 计算了EuTiO₃铁电薄膜材料的电热效应. 结果显示在外加应力的调控下, 电极化、电热系数以及绝热温差都会随之变化. 外加垂直于表面的张应力加大, 薄膜的相变温度升高, 绝热温差增加, 最大绝热温差所对应的工作温度向高温区移动. 对于二维平面失配应变u_m =-0.005的薄膜, 当外加张应力σ₃ = 5 GPa时, 其最大电热系数为1.75×10^-3 C/m²·K, 电场变化200 MV/m 时室温下绝热温差ΔT 的最大值可达到14 K 以上, 绝热温差ΔT ≥13 K 的工作温区超过120 K, 表明可以通过调控外部应力来获取室温时较大的绝热温差. 此结果预示着铁电EuTiO₃ 薄膜在室温固态制冷方面可能具有较好的应用前景.     

热电效应的应用及热电优值提高策略

热电转换是直接将热能与电能进行相互转换的技术, 深空探测器供电、 研究和开发清洁能源、 集成电 路的微型化及可穿戴设备等都对热电材料提出了迫切需求. 为了提高热电性能, 很多创新技术路线被开发出来, 特 别是低维材料的功率因子和热导率容易实现独立调控, 热电性能较三维材料有较大提高, 通过综合运用薄膜厚度、 层内拉伸、 层外压缩及声子晶体设计等调控手段, 能实现功率因子的提高和总热导率的降低, 有望将硒化锡在 3 0 0K~7 7 3K温度区间热电优值提高到2. 5以上, 相信在不久的将来能满足商业应用的要求     

用光强衰减方法测量交联型聚氨基甲酸酯的交联温度

提出了用导波光学方法测量交联型聚合物材料的交联温度。即在对聚合物薄膜处理时,利用光波导的衰减全反射光谱中导模峰对聚合物材料的折射率敏感的特性,来测量聚合物材料参量。研究了交联型聚氨基甲酸酯材料在升温过程中薄膜折射率的变化。实验结果发现,温度相关的折射率dn/dT会发生不连续变化。整个dn/dT曲线有两个交叉点,这两个交叉点之间的温度范围就是聚合物材料的交联温度范围。第一个和第二个交叉点的温度分别被称之为材料的开始交联温度和完全交联温度。测得的交联型聚氨基甲酸酯材料的交联温度即最佳极化温度范围为85～122℃。通过对不同极化条件(是指开始极化的温度在测得的交联温度范围中变化)下聚氨基甲酸酯材料电光系数的测量验证了交联温度测量结果的准确性。     

菌紫质光致各向异性动力学的理论和实验

对菌紫质(Bacteriorhodopsin,BR)薄膜的光致各向异性特性进行了理论模拟.由随机取向的极性BR分子构成的聚合物薄膜在宏观上是各向同性的,但在线偏振光的作用下,BR分子对激发光的选择性吸收,导致不同异构体分子取向的不均匀分布,从而使BR薄膜在宏观上呈现出各向异性.利用BR光循环的二能级模型,得到了B态分子取向分布随时间的变化关系,推导出了BR薄膜光致各向异性动力学的数学表达式,模拟了不同激发光强下BR薄膜的光致各向异性动力学曲线,得到了和实验结果一致的计算结果.