利用表面微结构提高波长上转换红外探测器效率

波长上转换红外探测器具有实现大面阵焦平面的优势, 但光提取效率是制约器件整体效率的关键因素之一. 本文主要研究利用表面微结构来提高波长上转换红外探测器的效率. 首先通过仿真计算研究了表面微结构参数对光提取效率的影响, 然后基于优化设计的参数, 采用聚苯乙烯纳米球掩膜刻蚀的方法制作了具有圆台型表面微结构的波长上转换红外探测器. 测试结果表明, 具有表面微结构的器件的光提取效率比无表面微结构的器件提高了130%. 本文制作表面微结构的方法可以实现波长上转换红外探测器件整体效率的提高.     

纳米微结构表面与石墨烯薄膜的界面黏附特性研究

石墨烯性能的发挥受石墨烯表面形貌的影响,而石墨烯表面形貌则与基底密切相关.石墨烯在纳米微结构表面的吸附与剥离可以为石墨烯的功能化制备和转移提供理论基础.分子动力学模拟能提供石墨烯在纳米微结构表面的吸附构型和剥离特性等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用LAMMPS分子动力学模拟软件,从吸附能角度研究了石墨烯在矩形微结构表面的黏附特性,并进一步探讨了石墨烯从矩形微结构表面剥离的行为.研究表明:石墨烯的吸附构型在矩形微结构表面的转变是连续的,但由部分贴合状态向完全贴合状态的转变是一个反复的过程,当石墨烯完全贴合微结构表面时吸附能最大;从微结构表面剥离石墨烯时,剥离力会出现周期性的波动.剥离过程表现为两种形式:完全贴合时,石墨烯是直接滑过槽底;而当悬浮构型或部分贴合构型时,石墨烯是直接从微结构表面分离.本文给出了平均剥离力随微结构尺寸参数变化的理论公式,该公式与模拟结果拟合较好.此外,随着剥离角度的变大,平均剥离力先变大后变小,从平整基底表面剥离具有Stone-Wales缺陷结构的石墨烯会使剥离力变大.研究结果可为探究石墨烯在纳米微结构表面的剥离行为、揭示其黏附机理提供理论参考.     

纳秒激光脉冲诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒激光脉冲,在能量密度为1～10 J/cm2范围内辐照单晶硅,形成了表面锥形微结构,在SF6气氛和空气环境下均形成了锥形尖峰表面微结构。SF6气氛下产生的锥形尖峰顶端都有小球,部分锥形上还有二次尖峰形成,空气中纳秒激光诱导的锥形尖峰微结构顶端和边缘有由液滴固化形成的粒状物质,不同于利用准分子纳秒激光诱导的细长须状结构和飞秒激光辐照下产生的具有表面枝蔓状纳米结构的锥形微结构。实验结果表明,这种尖峰微结构的形成与辐照激光的波长和脉冲持续时间有关。对空气中微构造硅的辐射反射的初步研究表明,在500～2 400 nm范围内的光辐射反射率不高于20%。     

纳秒激光脉冲诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒激光脉冲,在能量密度为1~10 J/cm2范围内辐照单晶硅,形成了表面锥形微结构,在SF6气氛和空气环境下均形成了锥形尖峰表面微结构。SF6气氛下产生的锥形尖峰顶端都有小球,部分锥形上还有二次尖峰形成,空气中纳秒激光诱导的锥形尖峰微结构顶端和边缘有由液滴固化形成的粒状物质,不同于利用准分子纳秒激光诱导的细长须状结构和飞秒激光辐照下产生的具有表面枝蔓状纳米结构的锥形微结构。实验结果表明,这种尖峰微结构的形成与辐照激光的波长和脉冲持续时间有关。对空气中微构造硅的辐射反射的初步研究表明,在500~2 400 nm范围内的光辐射反射率不高于20 %。     

梯度表面能材料上液滴运动特性实验

对水平和30°倾角放置梯度表面能材料表面上液滴运动特性进行了可视化实验,分析了液滴在梯度表面上运动速度的变化规律,以及液滴大小和表面倾角对运动速度变化的影响.实验结果表明:在梯度表面能材料上,液滴能获得较大的宏观运动速度,并可以沿30°倾角放置的梯度表面材料上自下而上的运动;大液滴较小液滴的峰值运动速度大,运动距离更远;液滴在运动过程中出现蠕动的现象.     

液滴在梯度微结构表面上的铺展动力学分析

本文通过改变肋柱宽度和间距, 构造了二级和多级梯度微结构表面, 采用格子-Boltzmann方法对液滴在两种梯度表面上的铺展过程进行了研究, 探析液滴运动的机理和调控方法. 结果表明, 在改变肋柱间距的二级梯度表面上, 当液滴处于Cassie态时, 接触角滞后大小与粗糙度梯度成正比关系; 当液滴从Cassie态转换为Wenzel态或介于两者之间的不稳定态时, 这一正比关系不再遵循. 在改变肋柱宽度的二级梯度表面上, 接触角滞后大小与粗糙度梯度始终成正比关系. 在多级梯度表面上, 随液滴初始半径增大, 接触角滞后减小, 但液滴平衡位置相较于初始位置偏离增大. 对梯度微结构表面上液滴运动和接触角滞后的定量分析, 可为实现梯度微结构表面液滴运动调控提供理论依据.     

纳米粒子构建表面的超疏水性能实验研究

采用疏水纳米粉体压片法和岩心吸附法构建了具有微纳米结构的表面,测试了这些表面的接触角,拍摄了水滴在吸附纳米粒子的岩石表面的滚动过程照片,采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)检测了表面的微结构.实验结果表明：无机纳米粒子经弱疏水性材料修饰后,其表面润湿性由强亲水变为强疏水;疏水纳米粒子吸附表面的接触角均大于120°,滚动角约7°,显示出超疏水特性;SEM照片显示,这些超疏水表面是具有不规则微纳米结构的气固复合面,符合Cassie-Baxter的复合表面模型. 关键词： 超疏水 纳米粒子 微纳米结构表面 接触角     

倾斜均质表面上等径水滴聚合过程的可视化实验

对倾斜均匀表面上等直径水滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了水滴直径和表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响,分析了水滴聚合对其运动的影响.实验结果表明:表面倾角越大,下滑的临界半径越小;液滴的直径越大,液滴聚合后越容易下滑;液滴聚合可以加快液滴的运动,使下滑临界半径减小.     

表面张力对疏水微结构表面减阻的影响

通过构造具有棋盘状微结构的疏水表面,考虑表面张力的影响,利用定常与非定常结合的数值模拟方法,研究了疏水表面在湍流状态下的减阻特性以及微结构内气体封存的效果,其中Re=3000—30000.在低雷诺数下,疏水表面微结构内气体封存状态良好,减阻率最高约为30%;随着雷诺数的增大,压差阻力增大,减阻率有下降趋势.当来流速度过大时,水会大量进入微结构,疏水表面的减阻率变化剧烈,且已经不再减阻.结果表明,表面张力削弱了壁面切应力的影响,使得低雷诺数下微结构内气体能够有效封存,进而减小壁面阻力.     

旋转锥体表面积冰实验研究

通过小型冰风洞开展了发动机整流罩缩比模型即旋转锥体表面积冰可视化实验研究,获得了不同温度、锥体转速和液态水含量条件下不同时刻的霜冰、瘤状冰和刺冰三种类型积冰形貌,并且通过分析单个水滴在锥体表面的受力和传热进行了水滴的运动和凝固分析,结果表明温度越低水滴完全凝固所需的时间越短,当温度较高时,由于转速较大,锥体表面的未完全凝固液滴会在离心力作用下脱离锥面并在脱离的过程中凝固从而形成刺状结冰。     

Molecular dynamics study of nanodroplet diffusion on smooth solid surfaces

We perform molecular dynamics simulations of Lennard–Jones particles in a canonical ensemble to study the diffusion of nanodroplets on smooth solid surfaces. Using the droplet-surface interaction to realize a hydrophilic or hydrophobic surface and calculating the mean square displacement of the center-of-mass of the nanodroplets, the random motion of nanodroplets could be characterized by shorttime subdiffusion, intermediate-time superdiffusion, and long-time normal diffusion. The short-time subdiffusive exponent increases and almost reaches unity (normal diffusion) with decreasing droplet size or enhancing hydrophobicity. The diffusion coefficient of the droplet on hydrophobic surfaces is larger than that on hydrophilic surfaces.     

单脉冲纳秒激光诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒脉冲激光(波长532 nm)在空气中对单晶硅表面进行单脉冲辐照,研究了激光能量密度和光斑面积变化对微结构的影响。通过场发射扫描电子显微镜和原子力显微镜(AFM)对样品表征,并对纳秒激光辐照硅的热力学过程进行分析。结果显示：当脉冲激光的能量密度接近硅的熔融阈值且光斑直径小于8 m时,形成尖峰微结构;随着能量密度或光斑面积增大,尖峰结构消失,形成边缘隆起和弹坑微结构。通过流体动力学模型得到微结构形貌的解析解,模拟得到的微结构形貌与实验测得的AFM数据一致。研究表明微结构的形成主要是由于表面张力引起的熔融硅流动。表面张力与表面温度和表面活性剂的质量浓度有关。温度梯度引起的热毛细流作用和表面活性剂浓度引起的毛细作用共同影响下形成尖峰、边缘隆起和弹坑微结构。     

Sputtering of silicon by a beamlet of electrosprayed nanodroplets

Advanced fabrication techniques use ion beams to sputter hard materials. Neutral molecules with sufficient energy are better projectiles because, in the absence of space charge, the beam's molecular flux and the sputtering rate can be orders of magnitude higher. This article describes the use of electrosprayed nanodroplets as projectiles for sputtering. Compared to ions, nanodroplets are massive groups of neutral molecules with several elementary charges. Acceleration voltages below 20 kV generate kinetic energies of tens of eV per molecule. When these energetic nanodroplets bombard a [1 0 0] Si wafer, atoms are ejected from the target surface. Depending on the energy of the projectiles, the impacts produce either a multitude of craters much larger than the nanodroplets, or a smooth surface. The two surface morphologies are carved at very high and different rates, suggesting the existence of two distinct sputtering mechanisms.     

Linking anisotropic sharp and diffuse surface motion laws via gradient flows

We compare four surface motion laws for sharp surfaces with their diffuse interface counterparts by means of gradient flows on corresponding energy functionals. The energy functionals can be defined to give the same dependence on normal direction for the energy of sharp plane surfaces as for their diffuse counterparts. The anisotropy of the kinetics can be incorporated into the inner product without affecting the energy functional.     

Study of some surface properties using a simple gradient expansion of the kinetic energy density functional

Summary Reasonable surface energies and very accurate surface dipole barrier and work function for a semi-infinite jellium are calculated from a simple model of the density. The model was proposed by Smith and contains one universal parameter. In the Kohn-Sham energy functional, the kinetic energy is approximated by its simple gradient expansion including a fourth-order term. The exchange and correlation are treated within the local-density approximation. Using the simple gradient, the energy is minimized with respect to the universal parameter of the density. The parameter which minimizes the energy is used to calculate the surface dipole barrier and the work function. A comparison was made with the Lang and Kohn results and with the Ma and Sahni results.     

等离子体表面梯度硅沉积对环氧树脂电气性能的影响

环氧树脂作为常见的绝缘材料,在高压直流电场作用下易在其表面积累电荷,发生电场畸变,导致材料绝缘性能下降,影响电力系统运行可靠性。为改善气固界面的电荷特性和绝缘性能,在大气压等离子体射流技术的基础上,对环氧树脂表面进行等离子体梯度硅沉积处理。对改性前后环氧树脂表面理化特性、表面电导率、表面电荷消散和沿面耐压特性进行了多参数测量。实验结果表明,梯度改性对材料表面的物理形貌和化学组分均有明显影响,不同区域的电导率实现了梯度分布,加快了表面电荷消散速度,表面陷阱能级变浅;梯度改性后的样品沿面闪络电压提升幅度可达30.16%。通过等离子体表面梯度硅沉积处理能够改善环氧树脂表面电气性能,在高压直流设备的绝缘设计方面具有广阔的应用前景。     

环氧树脂的等离子体表面梯度刻蚀及沿面闪络性能研究

结合等离子体表面刻蚀方法与梯度改性方法,实现了氧化铝/环氧树脂表面的等离子体梯度刻蚀。利用扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪、X射线光电子能谱分析(XPS)、高阻计、闪络电压和表面电位测试系统,对比了未处理、等离子体均匀刻蚀、等离子体梯度刻蚀三种情况的样片表面形貌、化学元素和电气参数,研究了等离子体梯度刻蚀对沿面闪络性能的提升机理。结果表明,等离子体表面刻蚀可提升环氧树脂表面粗糙度、提高样片表面电导率、浅化陷阱能级以及提升沿面闪络电压。等离子体梯度刻蚀对闪络电压的提升效果要优于等离子体均匀刻蚀,相比于未处理样片最大可提升26.5%。分析认为针-针电极的电场分布可划分为三结合点处附近的高场强区和电极之间的低场强区,加快高场强区的表面电荷消散速率并适当控制低场强区表面电荷迁移速率,可以最大程度地提升样片整体的沿面闪络性能。     

梯度表面能材料表面上液滴形状的数值模拟

本文建立了固体表面上静止液滴的势能方程,根据能量最小化原理,当系统总势能取得最小值时,液滴将处于平衡状态.采用有限元方法,将初始自由液面离散化,通过曲面上节点的虚拟位移,改变自由液面的拓扑结构,使系统总势能取得最小值,从而得到静止液滴的形状.并应用该方法对均质表面和梯度表面能材料表面上的液滴界面进行了数值模拟,得到了均质材料表面和梯度表面能材料表面上静止液滴的界面形状及分布.