基于人工神经网络的声子晶体逆向设计

声子晶体是一种人工周期性复合材料, 其带隙特性使其在减振、隔声、滤波和声学功能器件等领域具有潜在的应用价值. 如何准确操纵声波和机械波是声子晶体设计的主要挑战. 现有设计方法是基于对结构几何参数与材料参数的分析调整使其匹配特定的应用特性, 设计效率不高且无法达到最佳性能. 为此, 本文以一维层状声子晶体为例, 提出了一种基于Softmax逻辑回归和多任务学习的人工神经网络声子晶体逆向设计方法, 其中, Softmax逻辑回归实现分层结构各区域材料种类的选择, 通过多任务学习确定各区域材料的分布, 从而, 将声子晶体逆向设计问题转化为对单位胞元拓扑结构多组分材料的分类问题. 首先, 随机生成大量声子晶体拓扑结构样本; 然后, 采用有限元法进行并行计算得到所有样本的带隙分布; 接着, 通过神经网络建立带隙分布和拓扑结构之间的映射关系; 最后, 利用训练好的神经网络设计具有目标带隙特性的声子晶体, 即以目标带隙作为神经网络的输入, 网络将直接输出对应的声子晶体单元胞元拓扑结构. 算例表明本方法可根据应用需求快速高效地得到具有目标带隙的一维声子晶体. 该方法为声子晶体的逆向设计提供了一种新颖思路.      

Ba7AgGa5S15:一种新型混合金属硫化物的非线性光学性能研究

采用高温熔融-自发结晶法成功获得一种新型混合金属硫化物Ba7AgGa5S15.该化合物结晶于非中心对称的P31c空间群(No.159),晶胞参数为a=0.964 53(10) nm,c=1.805 9(4) nm,Z=2.其结构是由[Ga4 S10] T2超四面体与[AgS4]四面体共顶点连结形成的含有18元环孔道的三维网状框架,孤立的[Ga(2)S4]四面体填充在孔道中,Ba2+填充在该三维框架结构的空隙当中.第一性原理计算研究了该化合物的电子结构、态密度、双折射率、二阶非线性光学系数,以及倍频密度.结果 表明,该化合物具有大的光学带隙(3.76 eV),其带隙主要由S3p,Ba5d和Ga4s轨道决定;其d33方向上的倍频系数约为AgGaS2的0.4倍,主要倍频贡献来源于[AgS4]和[GaS4]四面体.该研究表明在Ag-Ga-S体系中引入Ba2+,形成的Ba7 AgGa5S15表现出比AgGaS2更宽的带隙,有利于产生高的激光损伤阈值(LDT).     

局域共振型圆柱壳类声子晶体带隙特性研究

针对圆柱壳结构的减振问题,本文提出一种局域共振型圆柱壳类声子晶体结构,通过在圆柱壳圆周方向布置弹簧振子实现.该声子晶体的能带结构研究结果表明,该结构能够形成两条低频带隙,一条带隙的起始频率低至650 Hz,带宽为330 Hz,另一条带隙具有更低的频率范围,为0～371 Hz,带隙的形成是由于圆柱壳和弹簧振子振动的耦合.进一步分析了声子晶体的圆柱壳质量与弹簧振子的质量比、弹簧振子的刚度和元胞宽度对带隙的影响.对有限周期圆柱壳结构的传输特性分析,验证了局域共振型圆柱壳声子晶体在带隙范围内的抑制振动的能力.研究结果为圆柱壳结构的减振问题提供了理论参考.     

面内双轴应力作用下单层黑磷能带性质研究

通过第一性原理对平面内双轴应力作用下的单层黑磷能带结构进行了计算.双轴拉伸应力作用下单层黑磷始终保持直接带隙性质,双轴压缩应力作用下的单层黑磷则发生了直接带隙转变为间接带隙的现象,当双轴压缩应力增加到7%时单层黑磷带隙闭合.     

基于科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器

太赫兹滤波器是太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。按照不同的分类方式,滤波器有不同的种类,常见的按照选频功能可分为高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器。为了实现在太赫兹波段的滤波效果,世界各地的研究人员利用不同的结构、材料和控制方式实现了功能各异的太赫兹滤波器,但是考虑到设计的器件要应用到太赫兹系统中,成本低廉、结构简单、性能优越的太赫兹滤波器一直是研究人员的追求。分形概念自提出以来在很多研究领域都有了快速发展,但是在太赫兹波段的应用还不是很常见,特别是应用于太赫兹功能器件的设计。引入分形中科赫曲线的概念设计并制备了一种新型的太赫兹带通滤波器,该滤波器是在金属薄膜上刻蚀出科赫曲线分形结构,当太赫兹波垂直入射到该滤波器时候实现了在太赫兹波段的窄带滤波。在滤波器的设计过程中,追求理论与实验相结合,首先在电磁仿真软件中建立科赫曲线分形结构滤波器模型进行计算,探究分形结构应用于太赫兹波段进行滤波的可行性,在进行多次计算之后得到优化后的尺寸和结构,然后根据优化后的尺寸加工出科赫曲线分形结构太赫兹滤波器样品,并且将样品放在太赫兹时域光谱系统中进行实验测量,得到实验数据后与仿真结果进行比较。在仿真中利用了时域有限差分法模拟科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器的传输特性,优化后的仿真结果表明:滤波器的谐振频率为0.715 THz,透射系数能够达到0.92,-3 dB带宽为21.9 GHz,将仿真得到的散射参数进行S参数反演得到了太赫兹滤波器样品的电磁参数,这在理论上分析了太赫兹波在谐振点处产生透射增强的原因。利用飞秒激光微加工系统制备了尺寸优化后的科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器样品,然后使用太赫兹时域光谱系统对样品的传输特性进行测试,对实验得到的时域数据进行快速傅里叶变换之后得到频域数据,再把频域数据进行归一化处理后与之前的电磁仿真结果进行对比,发现实验测得的结果与电磁软件仿真得到的结果较为吻合。     

甲基三氢集团的研究

本文通过FT-IR,溶解热和从头计算分子轨道法,对含三氢集团的分子(丙酮、乙酸甲酯、二甲基亚砜等)分子间的相互作用做了研究。在所研究的体系中,计算表明在甲基3个氢原子的中心方向有一个正电势区。它导致负电集团红外吸收带频率位移,溶解热的数据进一步说明三氢集团的集体效应。     

水热合成MoO3纳米带的生长机理研究

以离子交换法制备的氧化钼溶胶为前驱体，在水热条件下制备了单晶MoO₃纳米带，对样品进行了XRD、SEM和TEM分析。通过考察水热反应温度和时间对产物结构和形貌的影响，结合材料热力学和动力学理论，探讨了MoO₃纳米带在水热条件下的生长机理。离子交换法制备的溶胶在水热条件下首先转变为热力学亚稳相h-MoO₃六角柱，随着温度的升高和时间的延长，h-MoO₃按照溶解-重结晶过程转变为稳定相α-MoO₃纳米带。     

固溶体Ce0.8Pr0.2O2-δ的合成及性质研究

利用溶胶-凝胶方法合成了Ce0.8Pr0.2O2-δ固溶体, XRD结果表明,经200 ℃焙烧就已经形成立方萤石结构固溶体,晶粒尺寸为8.1 nm, 随焙烧温度的升高,晶粒尺寸增大. X射线光电子能谱(XPS)结果表明,样品中存在氧离子缺位,铈离子主要为Ce4 离子,镨离子以混合价态Pr3 和Pr4 存在. 固溶体Ce0.8Pr0.2O2-δ的拉曼谱(Raman)观察到4个峰,458和1140 cm-1峰为特征F2g振动谱带,较宽的570和187 cm-1峰对应氧离子缺位及引起的不对称振动. 交流阻抗谱表明固溶体Ce0.8Pr0.2O2-δ在600 ℃时的电导率为1.44×10-3 S·cm-1, 活化能为Ea=0.67 eV (650～800 ℃), Ea=0.91 eV (400～600 ℃).     

基于声子晶体带隙特性的薄板减振设计

基于平面波展开法和薄板振动方程,计算了薄板型声子晶体的带隙和减振特性,通过与有限元软件的计算结果验证带隙计算的正确性,并进一步讨论了散射体几何形状及填充率、弹性模量比、密度比等对薄板型声子晶体带隙特性和减振的影响.结果表明正多边形散射体随边数的减小,第一带隙宽度逐渐增加,正方形散射体薄板减振效果明显.填充率对声子晶体带隙特性的影响不是线性的.随散射体基体弹性模量比数量级增大,第一带隙趋于低频,宽度降低.散射体基体弹性模量比较大时,密度比越大,第一带隙宽度越大,对应的薄板结构减振特性越好.     

红外热成像技术测量绝热剪切带温度的综述

绝热剪切是材料在高应变率载荷作用下的热粘塑性本构失稳现象,与材料失效有着密切的关系。采用红外热成像技术测量绝热剪切带内的温度变化,将有助于研究金属材料在高应变率下的力学性能及变形机理。简述了红外热成像技术及其系统组成;着重介绍了近年来采用红外热成像技术测量绝热剪切带温度的研究现状;讨论了采用红外热成像技术测量温度变化的应用需求及系统的设计要求。