二维拉格朗日坐标系下气粒混合双向耦合对激波流场影响的计算

喷射颗粒与气体混合是内爆压缩领域的热点和难点. 针对喷射混合中的气粒双向耦合问题, 开展了理论建模、离散算法以及颗粒反馈对激波流场的影响研究. 建立了拉格朗日计算框架下的数学模型; 给出了耦合源项的离散算法; 开展了平面及汇聚构型条件下, 气粒双向耦合的数值模拟研究; 发现了颗粒反馈导致气体激波提速现象以及气区流场物理量分布形态的改变, 初步获得了量化分析结果. 本文建立的数学模型、计算方法和获得的新的物理认识, 为深入理解喷射混合现象、解决相关工程应用问题提供了重要理论支撑.     

类固态颗粒物质的剪切弹性行为测量

利用能以极慢变形率直接剪切颗粒固体的实验装置,测量了(玻璃珠)样品对大幅度循环剪切的力-位移曲线,以及一个循环周期后的塑性位移残留.发现随着循环频率的降低,样品会从有限塑性残留的弹塑行为转变到几乎没有塑性的纯弹性行为,同时伴随有率相关性.该转变在剪切力幅度高达样品破坏值的90%时依然存在,但需要极小的变形率(10~(-5)Hz)或惯性数(10~(-8)).这意味着无论是高频小幅度的声波扰动,还是极低频大幅度的直接剪切,静态颗粒固体都可做出纯弹性的力学响应.在足够慢的状态变化范围里,它仍是属于经典弹性理论范畴的一类材料.这个弹性区域一直未被报道和关注,可能是观测它时需要样品的变形率远比通常此类研究中所采用的慢变形还要小许多(大约两个数量级)的缘故.理论上本文测量结果支持描述颗粒固体宏观动力学的基本方程组,不能只有弹塑和率无关行为,它们必须在极慢变形极限下退化为经典弹性理论,并且在这个转变过程中表现出率相关特性.     

悬浮二维晶体材料反射光谱和光致发光光谱的周期性振荡现象

研究了在二氧化硅/硅衬底上制备的悬浮石墨烯以及二硫化钼的反射光谱以及悬浮二硫化钼的光致发光光谱.研究发现:悬浮多层石墨烯的反射光谱表现出明显的振荡现象,并且该振荡具有一定的周期性;振荡周期的大小不依赖于悬浮多层石墨烯的层数,而是随着衬底上沉孔深度(空气层厚度)的增加而减小.利用多重光学干涉模型可以解释这种振荡现象以及振荡周期随沉孔深度改变的变化趋势.该模型计算结果表明,只有当沉孔深度达到微米量级时这种振荡现象才会显著出现;并且可由振荡周期定量地确定出沉孔深度.对于悬浮的二硫化钼样品,其反射光谱和光致发光光谱也出现了类似的振荡现象.这表明这种振荡现象是在各种衬底上悬浮二维材料反射光谱和光致发光光谱的一种普遍性结果,也预示悬浮二维材料器件的电致发光光谱也会出现类似的振荡现象,对悬浮二维晶体材料的物理性质和器件性能研究具有一定的参考价值.     

基于环磁美特材料的无线传能系统

传统的四线圈磁共振耦合无线传能系统已在移动电子设备、电动汽车无线充电中得以应用,然而,其传能效率仍然因其磁场空间分布的发散性而难以提高.为了克服上述缺点,我们提出了一种基于环磁美特材料、磁场更为局域的高效无线传能系统.该系统将四线圈系统中的一对磁谐振耦合线圈替换为具有环磁谐振特性的四个非对称开口谐振环.该环磁模式具有高Q值、低金属损耗以及辐射抑制的特性.实验结果表明,相对于四线圈系统,该系统的磁场更为集中,能量传输效率更高.     

单层SbAs和BiSb的表面修饰调控

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了V族二维层状材料SbAs和BiSb在全氢化和全氟化后体系的晶体结构、稳定性和电子结构.计算结果表明,全氢化后SbAs和BiSb由buckled结构转变为准平面结构,而全氟化后则转变为low-buckled结构.同时,本征、全氢化和全氟化的SbAs和BiSb均具有很好的稳定性,具备实验合成的可能性.电子结构的分析表明,全氢化和全氟化后SbAs和BiSb均由宽带隙半导体转变为窄带隙的直隙半导体,且其能带结构仍具有很好的线性色散.通过对准平面和low-buckled结构SbAs和BiSb电子结构的进一步分析,揭示了全氢化和全氟化后体系能带变化的原因.在h-BN衬底上的计算结果显示,由于两者间的弱耦合作用,使得全氢化和全氟化SbAs的直隙半导体特征得以保留,表明其在未来光电子设备等领域中具有广泛的应用前景.     

复合结构螺旋超材料对光波前的高效调控

近年来,超材料和超表面因为一些不同于传统材料的新奇性质一直被广泛研究,而基于超材料或者是超表面的波前控制也是其中的一个热门研究领域.迄今为止,已经提出了很多不同的结构来对反射光和透射光的波前进行调控,在已知的结构中,反射光的波前调控效率已经可以达到较高数值,但是很少有报道能够使用超材料简单高效地调制透射光的波前.本文提出了一种由相同几何结构的左旋和右旋结构复合而成的螺旋超材料.通过使用时域有限差分方法进行仿真,发现这种螺旋结构将会在入射光和透射光之间引入一个可控的相位变化,从而可直接对透射光波前进行调控.仿真结果还表明,该复合结构螺旋超材料在较宽的波长范围内可以达到近64%的透射率.最后通过将该螺旋材料沿着X轴排布成有着连续相位变化的阵列,可以在近红外区域(1.0—1.4μm)观察到反常折射现象,仿真结果与理论计算得出的反常折射角十分符合.     

GaN基薄膜半导体材料不同非线性效应的竞争关系

采用金属有机化合物化学气相沉积方法生长了未掺杂GaN,p型Mg掺杂GaN,InGaN/GaN多量子阱等薄膜半导体材料,研究了其在800 nm飞秒激光激发下的非线性光学性质.实验结果表明,在800 nm飞秒激光激发下,多光子荧光、二次谐波等非线性光学信号之间存在着竞争关系,反映出不同非线性光学信号对激发光的能量分配存在着竞争,并通过其非线性光学信号强度与激发强度之间的依赖关系进行了验证.同时,本文对其竞争机理进行了初步探究.     

纳米颗粒在复杂生物介质中的反常扩散

由于生物微环境中存在各向异性等复杂物理因素影响,纳米颗粒在其中的扩散运动表现出反常的特征.反常扩散与生物微环境的功能实现有重要的关联,同时也是流体力学在微纳尺度方向的重要扩展.该综述系统介绍了近年来反常扩散研究的进展,从物理模型、数值模拟、测量方法及实验现象等方面揭示了纳米颗粒在复杂生物介质中的反常扩散机理及特征.该问题在微纳尺度流体力学、生物物理等领域是研究的热点,在理论上和实验时仍有重大挑战,有待进一步深入研究.      

外场对π电子能隙调制C==C，C-C伸缩振动的影响

共振拉曼光谱是研究线性多烯分子的主要分子光谱技术。该技术完美地表征了π电子能隙对C==C,C-C伸缩振动的调制规律。这种调制是通过电子-声子耦合完成的。改变外界环境,能隙调制作用将受到影响。测量了溶剂中β-胡萝卜素分子在温度、压力、溶剂效应、相变等不同环境影响下的吸收光谱、共振拉曼光谱,研究了不同外场对π电子能隙调制C==C,C-C伸缩振动的影响机理及规律。结果表明,在外场影响下,体系的能量降低,π电子能隙(π-π*)减小会使调制增强。即电子-声子耦合增强,使拉曼强度增加,谱线红移。对理解共振拉曼物理过程,认识线性多烯分子的结构,性能有重要意义,对研制优质光电器件也有参考价值。     

具有氧空位Bi_xWO_6(1.81≤x≤2.01)的第一性原理计算和光催化性能研究

为了探索影响Bi_2WO_6光催化性能的内在机制,采用密度泛函理论(DFT)计算和实验研究了非化学计量和氧空位对Bi_2WO_6晶体结构、电子结构和显微结构的影响.采用溶剂热法合成了具有氧空位的非化学计量Bi_xWO_6(x=1.81,1.87,1.89,1.92,2.01)光催化剂.DFT计算结果表明,氧空位的存在可显著减小Bi_2WO_6的带隙,有利于光生电子的生成.实验结果表明,当Bi元素的含量小于化学计量比时,Bi_2WO_6的晶体结构发生了微小变形,Bi元素含量对Bi_2WO_6的显微结构影响不大,但会影响产品氧空位的含量和光吸收性能,并有效抑制电子空穴的复合.Bi_(1.89)WO_6产品的光催化性能最佳,可见光照射180 min后,可降解98%的罗丹明B.采用适当方法,使产品具有氧空位和非化学计量是获得高光催化活性材料的一种有效方法.