介电超晶格中电磁波和声波的耦合物理效应
物理学家祝世宁
祝世宁简介：祝世宁，男，功能材料学家，南京大学教授。
1949年12月生于江苏省南京市，籍贯江苏镇江。
1981年毕业于淮阴师范学院，1988年在南京大学获硕士学位，1996年在南京大学获博士学位。
2007年当选为中国科学院院士，现任南京大学物理系主任。
长期从事微结构功能材料研究。
在铁电畴工程方面，发现了铌酸锂型铁电体电畴反转动力学规律，发展了图案极化技术，研制出不同功能的介电体超晶格材料。
在微结构晶体功能研究方面，发展了非共线准相位匹配技术，并应用于光的非线性弹性散射、增强拉曼散射、非线性切仑科夫辐射和纠缠光研究等。
在全固态激光器研究方面，将超晶格材料与全固态激光技术结合，研制了光学超晶格多波长激光器和可调谐激光器等。
成长历程：1968年，祝世宁从南京市十中（今金陵中学）高中毕业，收起了从小就爱做的科学梦，响应号召，到盱眙县明祖陵管镇公社花园大队做了知青。
当时交通不便，现在两三个小时的车程，祝世宁从南京经淮阴、泗洪、双沟再到管镇，走了整整六天。
“那个时候，真的做好了扎根农村干革命的思想准备。
”在祝世宁下乡的行李里，他特意装上伯伯送的两本大学生物课本和自己买的农业生产用书，想学点生物学知识为当地农村做点事。
跟当地的农民一样，祝世宁上河堤、扒河工、插秧、收庄稼，后来因为生产队需要，还当过生产队会计，做过知青点的团支部书记。
两年的插队生活，让祝世宁知道了真正的农村是什么样的，知道了农民是在什么样的条件下生活的，与农民同吃、同住、同劳动的生活锻炼了他的体魄，磨练了他的意志。
除了每天正常上工外，他在生产队的支持下种过试验田，尝试培育玉米、水稻新品种。
“从农村到工厂再回到学校，我赶上的都是第一班车，真是很幸运。
”回忆过往的岁月，祝世宁的话语中透着平和。
1970年，一个突然的招工机会让祝世宁到沭阳马厂柴油机厂当了一名普通工人。
在那里，他做过翻砂工，抬过铁水包，也干过机械维修，换了很多工作，边干边学，爱琢磨的祝世宁还将中学物理知识及自学的机械制图、电工学等各种知识运用到工业生产中，常搞点小发明、小革新，成为厂子里人人都知道的“小才子”。
实验4 巨磁电阻效应及其应用实验-软件学院-1102
实验4 巨磁电阻效应及其应用
人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态，后来发现很多的过渡金属 和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，相关理论指出这些状态源于铁磁性原 子磁矩之间的直接交换作用和间接交换作用.直接交换作用的特征长度为0.1-0.3nm， 间接交换 作用可以长达1nm以上.1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度，所以，科学家 们开始了探索人工微结构中的磁性交换作用. 1986年德国物理学家彼得· 格伦贝格尔( Peter Grunberg )采用分子束外延(MBE)方法制备 了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜.发现对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁 磁层磁矩是反平行的，这个新现象成为巨磁电阻( Giant magneto resistance，简称GMR)效应出 现的前提.进一步研究发现两个磁矩反平行时对应高电阻状态，平行时对应低电阻状态，两个 电阻的差别高达10%. 1988年法国物理学家阿尔贝· 费尔(Albert Fert)的研究小组将铁、 铬薄膜交替制成几十个周 期的铁-铬超晶格薄膜，发现当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，磁电阻比率 达到50%.这个前所未有的电阻巨大变化现象被称为巨磁电阻效应. GMR效应的发现，导致了新的自旋电子学的创立.GMR效应的应用使计算机硬盘的容量 提高几百倍，从几百Mbit，提高到几百Gbit甚至上千Gbit. 阿尔贝· 费尔和彼得· 格伦贝格尔因 此获得2007年诺贝尔物理学奖. 【实验目的】 1. 了解多层膜GMR效应的原理. 2. 掌握GMR的磁阻特性. 3. 了解 GMR 传感器的结构、特点，掌握 GMR 传感器的使用方法.
中国科技大学研究人员成功揭示巨磁—电效应机制
中国科技大学研究人员成功揭示巨磁—电效应机制[中央政府门户网站2007年11月01日新华社]新华社合肥１１月１日电（记者周立民）记者从中国科技大学获悉，该校研究人员成功揭示复铁性材料铽锰氧中的巨磁—电效应机制，从而为寻找新型多功能磁电材料提供指导。
国际权威专业物理期刊《物理评论快报》１０月２６日发布了这项研究成果，评价称“此项研究会对几乎所有的物理学领域产生影响，并将成为今后复铁性材料研究的一个基础”。
这项重大科研项目是由中科大量子信息重点实验室何力新教授领导的研究小组完成的。
据介绍，磁和电是自然界中两种最基本的物理现象，也是材料的两种基本属性。
学术界将这些磁、电有序同时共存的材料称之为复铁性材料。
这种材料的电学性质在外磁场下发生剧烈变化的巨磁电效应，由于耦合了材料的多种功能属性，为计算机信息存储的高密度化、器件小型化和功能的多样化开辟了一条新的道路，同时可望在量子调控领域发挥重要作用。
复铁性材料铽锰氧化合物是学术界广泛关注的一种典型的复铁性材料。
此前，科学家一直试图揭示出此类材料中的磁、电共存和磁、电作用的机理。
何力新教授等从基本的量子力学出发，通过计算机模拟的手段全面研究了铽锰氧化合物的晶体结构和电、磁学性质，揭示出了这种材料中磁、电共存和巨磁电效应的奥秘。
研究表明，这种材料中存在非常复杂的磁有序态，而且彼此之间相互竞争，使得最终稳定的磁结构不具有空间反演对称性。
对称破缺的磁结构进一步与晶格耦合，破化了晶格的空间反演对称性，从而导致了巨磁电效应。
此项研究澄清了此前有争议的该物质的晶体结构，与国际同行的实验结果完全吻合。
研究还表明，实验中测得的这种材料的性质可以进一步改善，从而有着良好应用前景。
美国《物理评论快报》认为，这项成果“第一个成功地对复铁性材料的定量理论研究。
”。
超晶格半导体材料的光磁电效应(Ⅰ)
超晶格半导体材料的光磁电效应(Ⅰ)
罗诗裕;邵明珠
【期刊名称】《半导体学报：英文版》
【年(卷),期】2005(26)9
【摘要】从Shockleyread统计出发,引入载流子寿命与浓度的相关性,描述了超晶格半导体载流子的输运特征,将载流子的输运方程化为二阶非线性方程,并用双参数摄动法找到了方程的一般解.在二阶近似下,计算了半导体材料的短路电流和光导电流,进一步揭示了大信号情况下光磁电效应的非线性特征.
【总页数】5页(P1744-1748)
【关键词】超晶格;半导体;光磁电效应;非线性
【作者】罗诗裕;邵明珠
【作者单位】东莞理工学院
【正文语种】中文
【中图分类】O472
【相关文献】
1.高组分稀磁半导体Cd1-xMnxTe/CdTe超晶格的光调制反射谱研究 [J],
2.半导体超晶格系统中的磁电调控电子自旋输运研究 [J], 王如志;袁瑞玚;宋雪梅;魏金生;严辉
3.半导体超晶格与微结构的发展模式浅析：纪念半导体超晶格与微结构？… [J], 彭英才;傅广生
4.稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻 [J], 马军
5.Ni/BiFeO3超晶格磁电效应的第一性原理计算 [J], 王凯;姜伟
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超晶格第四章半导体超晶格
�光电子谱有一定的线宽�约0.8eV��而且有一定 的无规噪声背景�因此从实验测得的光电子谱很难精 确确定价带顶的位置。
1�量子阱光跃迁光谱�把异质结生长成在两个宽带 材料之间夹一个极薄的窄带区。导带和价带的能带带 阶在窄带区分别形成电子和空穴的势阱。当窄带材料 的厚度足够薄时�势阱中的载流子在垂直于异质结结 面方向上的运动将会受到限制�该方向的运动能量将 会量子化。
量子阱中的电子产生光跃迁时� 在吸收光谱或荧光光谱上将会出 现一系列反映能级量子化的峰。
异质结界面性质直接影响eanderson定则中用电子亲和势差来确定误差较大22江崎等在提出超晶格概念的同时假定两种不同材料的势在界面附近是突变的势的变化范围在一两个原子层的尺度范围内
第四章 半导体超晶格
§1 引言 §2 异质结 §3 超晶格量子阱中的新现象 §4 超晶格电子态理论 §5 超晶格晶格振动 §6 超晶格量子阱的光学性质 §7 超晶格量子阱的垂直输运性质 §8 超晶格量子阱应用例举 §9 量子Hall效应 *§10 低维超晶格和微结构
�测量得到的带阶与异质结两层的生长顺序有关。
3�电学方法�C-V法�
当有外加电压Va存在时�势垒的宽度和高度的关系为�
( x0
−
x1 )
=
[
2ε1ε 2N D
qN A (ε1N A + ε 2N D
)
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− Va
《球形核壳量子点中的电—声子相互作用及三元混晶效应》范文
《球形核壳量子点中的电—声子相互作用及三元混晶效应》篇一球形核壳量子点中的电-声子相互作用及三元混晶效应一、引言随着纳米科技的飞速发展，球形核壳量子点作为一种新型的纳米材料，因其独特的物理和化学性质，在光电器件、生物医学等领域展现出巨大的应用潜力。
球形核壳量子点由核和壳层组成，其内部结构和能级排列特性使它具备诸多奇特的物理性质。
电-声子相互作用和三元混晶效应作为量子点内两种重要的物理过程，不仅在理论研究中备受关注，在实用化进程中也有着重要的应用价值。
本文将重点探讨球形核壳量子点中的电-声子相互作用及三元混晶效应。
二、球形核壳量子点概述球形核壳量子点是一种由两种或更多不同材料组成的纳米结构，其核心（核）被一层或多层不同材料（壳）所包围。
由于量子限域效应和界面效应，球形核壳量子点具有独特的电子结构和光学性质。
其独特的结构使得电-声子相互作用和三元混晶效应得以发生，并产生一系列有趣的物理现象。
三、电-声子相互作用电-声子相互作用是量子点中电子与声子之间的一种相互作用。
在球形核壳量子点中，由于核与壳层材料之间的电子结构和能级差异，使得电子在运动过程中与声子发生相互作用。
这种相互作用会影响电子的传输、散射等行为，从而影响量子点的光学、电学等性质。
在球形核壳量子点中，电-声子相互作用的研究对于理解其电子结构和光学性质具有重要意义。
通过研究电-声子耦合强度、耦合方式等，可以揭示量子点的能级结构、电子态密度等基本物理性质。
此外，电-声子相互作用还与量子点的能量传输、光电转换等应用密切相关。
四、三元混晶效应三元混晶效应是指三种不同材料组成的晶体中，由于材料之间的相互作用而产生的特殊效应。
在球形核壳量子点中，三元混晶效应主要表现在核与壳层材料之间的界面处。
由于三种材料的能级、电子结构等性质的差异，使得界面处产生能量转移、电荷转移等过程，从而影响量子点的光学、电学性质。
三元混晶效应在球形核壳量子点中具有重要的应用价值。
电介质物理导论第一章1
五、电介质物理的发展与展望
独立学科：
电子信息功能材料：低频、高频、微波、毫米波
新型电子器件： 铁电存储器、MEMS、阵列电容器、EMI 、SMD、 LTCC
与其他学科交叉发展：晶体学、高分子材料学、电磁场与微波技术。。。。
应用：1。晶体电介质应用于光电子学器件
2。陶瓷体内晶粒间的晶界效应 晶界层电容器 超大容量
第一章 恒定电场中电介质的极化
重点研究电介质在恒定电场作用下，所发生 的电极化过程。
主要研究方法： 给出必要的静电学基本定律和公式; 从宏观和微观两种角度，分析与讨论电介质
极化的共同规律; 结合具体物质结构类型，分别讨论各种形式
极化的机理并导出各自所遵循的规律。
重点在于了解宏观极化特性与微观 物质结构及组成之间的联系以揭示相应 物理现象的本质。
dissipation factor ; 介电强度Eb ：breakdown field strength
三、电介质的分类
1。组成特性：无机电介质：云母、玻璃、陶瓷
有机电介质：矿物油、纸、有机高分子聚合物
2。聚集态：气体介质：空气
液体介质：电容器油
固体介质：陶瓷、纸
3。组成物质原子排列的有序化程度：晶体：石英
直（不平行）的表面上出现束缚电荷——不能离开电介质，束缚电荷也要产生自
己的电场，称为附加电场E’
E=E。+E’<E。
束缚电荷
-
+
- + - + - + -+
- + -+ - + - +
-+
-+
-+ -+
+ -+ -
巨磁电阻效应及其应用(2)
实验十七巨磁电阻效应及其应用2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻（Rianr magneto resistance,简称GMR）效应的发现者，法国Paris-Sud大学的物理学家阿贝尔·费尔（Albert Fert）和德国尤里希研究中心物理学家彼得·格伦贝格尔（Peter Grunberg）。
他们于1988年独立作出的发现巨磁阻效应。
诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它计算机硬盘的容量从几百兆，几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。
”凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，他们之间的互相作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。
人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。
量子力学出现后，德国科学家海森伯（W.Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主）明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。
后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如图１７－1所示。
图１７－1 反铁磁有序磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。
这种磁有序状态称为反铁磁性。
法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。
在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子（或其他非金属离子）作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。
另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。
相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。
直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。
1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。
超晶格半导体材料的光磁电效应(I)
第26卷第9期2005年9月半导体学报CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORSVol.26No.9Sep.,2005罗诗裕男,1940年出生,教授,主要从事凝聚态物理与半导体超晶格方面的研究.Email :L uoshy @2004212209收到,2005205209定稿ν2005中国电子学会超晶格半导体材料的光磁电效应(Ⅰ罗诗裕邵明珠(东莞理工学院,东莞523106摘要:从Shockley 2read 统计出发,引入载流子寿命与浓度的相关性,描述了超晶格半导体载流子的输运特征,将载流子的输运方程化为二阶非线性方程,并用双参数摄动法找到了方程的一般解.在二阶近似下,计算了半导体材料的短路电流和光导电流,进一步揭示了大信号情况下光磁电效应的非线性特征.关键词:超晶格;半导体;光磁电效应;非线性PACC :7240;7280中图分类号:O472文献标识码:A 文章编号:025324177(200509217442051引言超晶格微结构是半导体物理与器件研究的前沿领域之一.超晶格量子阱的主要特征是载流子(电子或空穴的运动在生长方向上受到限制,因此,量子阱的光电性质不同于体材料而呈现出许多新特点.超晶格量子阱的能带结构与体材料不同,而且有效质量的各向异性可以差几个量级,子能带的带隙还可以任意调节.超晶格量子阱低维结构是设计、制造下一代超大规模集成电路的物理基础.超晶格物理代表着半导体物理的一个全新层次.一方面由于组分、掺杂和结构可以在原子尺度上人为控制,这就为设计、制造新一代固体器件提供了技术基础;而且由于超晶格微结构中呈现出的新现象和新效应,又为它的应用提供了广阔前景.例如,利用量子阱中维度限制引起的激子吸收饱和现象制成通道快、高频性能好、能耗低、可保温工作的激子型光学双稳器件,以及开关速度可达p s 量级的新一代量子器件等.值得注意的是,广泛使用的半导体材料硅对微电子技术的发展作出过重大贡献,但是由于它的载流子迁移率低、能带结构为间接带隙,使得它的应用受到很大限制.前者使它的运行速度无法和GaAs 相比;后者使它不能发出可见光.于是,如何改进硅基材料的性能以实现大规模的光电集成,一直是许多科学家追求的目标.改进硅特性的方法有两种:(1杂质工程,通过掺杂引入新的复合中心;(2能带工程,通过调整硅的能带结构(比如超晶格,使它的间接带隙变为准直接带隙,并使它的能带展宽到可见光的范围,而带边缘的弯曲则可以改变电子、空穴有效质量,从而使载流子迁移率上升.超晶格的最大几何特点是它的晶格形变,而超晶格的光磁电特性又直接与它的形变有关,因此,通过控制或调节形变超晶格的形变参数就可以得到不同光磁电效应的半导体材料.我们曾对超晶格的沟道效应及其形变参数作过具体分析[1~6].注意到,要研究超晶格的光磁电效应就必须研究载流子输运.基于该点,本工作将分成两部分讨论,第一部分(本文首先讨论一般半导体材料中的光磁电效应;第二部分(下一篇文章将结果移植到超晶格,并考虑到超晶格材料的宏观周期性边界条件,进一步讨论超晶格光磁电效应的非线性特征.在研究光磁电效应(下面简称PM E 效应的早期工作中,通常都假定载流子的寿命与它的浓度无关,因而描写载流子输运的连续性方程是一个线性二阶微分方程,结果对于光强比较弱(即低注入或低浓度情况符合得比较好.随着测量技术的不断提高,人们发现,即使在低注入情况下,PM E 效应也可观察到非线性特征;而在大注入情况下,则只有非线性微分方程才能描写.于是有人从经验出发,假定了不同形式的寿命2浓度相关性,从而改善了理论同实第9期罗诗裕等:超晶格半导体材料的光磁电效应(Ⅰ验的拟合程度.然而,这类唯象分析缺乏必要的理论依据.好在人们早就从Shockley —read 统计出发导出了载流子寿命τ与浓度Δξ/ξ0之间的依赖关系.但因函数τ(Δξ/ξ0比较复杂,文献[7]仅将寿命τ按浓度展开,保留一次项,从而将连续性方程化为含(Δξ/ξ02项的二阶非线性微分方程,成功地揭示了PM E 效应的非线性特征.同线性相比,允许的注入信号已有了明显的增加.但是,因它只保留了一次项,说明它仍然只能在比较小的信号下才成立.文献[8]作了进一步处理.但没有完全考虑载流子寿命的参数相关性,给结果带来了一定的局限性.基于上述考虑,本文直接从Shockley 2read 统计出发,引入载流子寿命与浓度的依赖性,把载流子的连续性方程化为二阶非线性微分方程.并用双参数摄动法找到了方程的一般解[9].在二级近似下,具体计算了半导体材料的短路电流和光导电流.讨论了这两个量与注入强度和吸收系数之间的关系,揭示了大注入情况下半导体的光磁电效应的非线性特征.2运动方程在稳恒状态下,半导体中载流子输运满足如下连续性方程1qΔJ -Δξτ=-g (x ,y ,z (1其中Δξ是载流子浓度(当Δξ=Δn 时,表示过剩电子浓度;当Δξ=Δp 时,表示过剩空穴浓度;J 是载流子密度矢量(J =J n 表示电子电流密度矢量;J=J p 表示空穴电流密度矢量;τ是少子寿命(τ=τn 是电子寿命;τ=τp 是空穴寿命;q 是载流子电荷(绝对值;g (x ,y ,z 是载流子的产生率.方程(1是一个三维问题,引入下列假设可将问题简化.为不失一般性,我们假定:(1局部电中性,即半导体内部处处满足条件Δn =Δp ;(2Hall 角比较小;(3产生率只是一个坐标(比如y 的函数.适当选择坐标系,使入射光沿y 方向,磁场沿z 方向,则短路电流沿x 方向,于是,连续性方程(1化为1q ×d J d y -Δξτ=-g (y(2其中J =J y ,且由公式J =qDd (Δξd y(3给出,D 是扩散系数.由Shockley —read 统计,可导出少子寿命τ与相对浓度Δξ/ξ0之间的关系τ=τ0(1+αΔξξ01+(ε+αΔξξ0(4其中ε=τ0-τ∞τ0(1+c (5α=τ∞τ0(1+c(6其中τ0和τ∞分别表示无限小和无限大注入强度下的载流子寿命;c =p 0/n 0,而n 0和p 0分别是样品放在暗处的电子浓度和空穴浓度.产生率可用如下指数规律表达:g (y =I κexp (-κy(7其中I 是入射光强度;κ是材料的吸收系数.将(3,(4和(7式代入(2式,可得Dd 2ξd y 2-1τ0×1+(ε+αΔξξ01+αΔξξ0Δξ=-I κexp (-κy (8相应的边界条件为DdΔξd yy =0=sΔξ(0(9DdΔξd yy =w=0(10其中s 是表面复合速度;w 是样品厚度.引入无量纲的量W =w/L ,Y =y/L ,S =sw /D ,u =Δξ/ξ0(11其中L2=τ0D (12由方程(8和(9可得无量纲的边值关系d 2u d Y 2-1+(ε+d u 1+αu u =N exp (-μY (13和d ud YY =0=au (0(14d u d YY =W=0(15其中a =S/W ,N =-I κL 2/(D ξ0,μ=κL =K/W ,K =κw(16且Y ∈(0,W .5471半导体学报第26卷3双参数摄动解方程(13是一个复杂的二阶非线性微分方程,不存在严格的解析解,且近似解也很难得到.我们曾用了几种近似方法作过尝试,发现只有摄动解的近似程度比较高,收敛速度快.下面我们用双参数摄动法进行求解.注意到少子寿命与参数ε和α有关,我们把它选为方程(13的独立变数,其目的是试图找到如下形式的双参数摄动解:u (Y ,α,ε=∑∞i ,j =0αi εju ij(17将上式代入方程(13,并注意到边界条件(14和(15式,比较同次幂,可得零级解u 00满足方程u ″00-u 00=N exp (-μY(18其中u ′=d u/d Y.一级解u 01和u 10满足方程u ″01-u 01=u 200(19u ″10-u 10=u 200+u 00[N exp (-μY -u ″00](20二级解u 02,u 20和u 11满足方程u ″02-u 02=2u 01u 00(21u ″20-u 20=2u 10u 00+u 10[N exp (-μY -2u ″00](22u ″11-u 11=u 01[N exp (-μY +2u 00]+2u 00u 10-u 00u ″01-u 01u ″00(23相应的边界条件由u ′ij |Y =0=au ij (0u ′ij |Y =w=0(24给出,其中(i ,j =0,1以及i =0,j =2;j =0,i =2.而通解u ij 满足方程u ″ij -u ij=H ij (u nm ,u ″nm(i ,j ≥0,而m ,n 小于i ,j (25边界条件由(24式给出.一般解可表示为u ij =αij exp (Y +βij exp (-Y +I ij (Y (26其中αij =-(1+a G ij(1+a exp (W -(1-a exp (-W(27βij =-(1-a G ij(1+a exp (W -(1-a exp (-W(28I ij =∫Y0H ij(t sh (Y -t d t (29G ij =∫WHij(t ch (W -t d t (30由(26~(30式可求得零级解u 00为u 00=α00exp (Y +β00exp (-Y +I 00(Y (31其中α00=-(1+a G 00(1+a exp (W -(1-a exp (-W(32β00=-(1-a G 00(1+a exp (W -(1-a exp (-W(33G 00=N μμ2-1ch (W -Nμ2-1sh (W -N μμ2-1exp (-μW(34I 00=N∫Yexp (-μt sh (Y -t d t=N μμ2-1sh (Y +N μ2-1exp (-μY -Nμ2-1ch (Y(35一级解u 01为u 01=α01exp (Y +β01exp (-Y +I 01(Y (36其中一级解u 10为u 10=0(37由于一级解还不能反映参数α的影响.必须进一步找出系统的二级解,它的一般表达式为u 02=α02exp (Y +β02exp (-Y +2∫Yu 01(t u00(t sh (Y -t d tu 20=0(38u 11=α11exp (Y +β11exp (-Y +∫Y[-u 300(t ]sh (Y -t d t(39令(27和(28式中的i =0,j =2,即可得(38式中的α02和β02;令(27和(28式中的i =j =1,即可得到(39式中的α11和β11(因太冗长,具体表达式不再一一列出.由(31,(36~(39式,可将二阶的双参数摄动解表示为u =u 00+εu 01+ε2u 02+αεu 11(40可以证明,当0≤Y ≤W 时,级数(17式绝对一致收敛,只要条件|ε|,|α|<14umax(Y(41满足.下面我们将在二级近似下讨论PM E 效应的短路电流和光导电流.6471第9期罗诗裕等:超晶格半导体材料的光磁电效应(Ⅰ4结果和讨论在利用PM E 效应测定载流子寿命和表面复合速度时,常常需要测定材料的光导电流I Pc .相应的光电导由公式ΔG =q (μn +μp∫W0Δξ(y d y(42给出,注意到u =Δξ/ξ0,上式可改写为ΔG R =ΔGq (μn +μp ξ0L=∫W0u (Y d Y(43其中u (Y 由(17式给出,在二级近似下由(40式给出.将(40式代入(43式,完成积分可得材料的“光电导”ΔG R .为了比较,我们选择了与文献[7,8]相同的一组参数.图1给出了吸收系数K =10时,“光电导”ΔG R 与入射光强度N 0之间的关系.选择了三组不同参数:ε=α=0;ε=-10,α=0和ε=-12,α=5,其中ε=α=0描述的是线性情况.由图1可以看出,当浓度N 0<10-3时(对应于光强比较弱,线性近似比较好.但是,随着光强的增加,比如N 0>5×10-3时,“光电导”ΔG R 表现出了明显的非线性特征.计算表明,当材料的吸收系数增加时,非线性更加明显.可见,对于强吸收样品,载流子寿命与入射光强度的相关性变得十分重要.图1“光电导”ΔG R 与入射光强度N 0之间的关系Fig.1Relationship between ΔG R and N 0根据过剩载流子沿y 方向的分布函数u (y ,可将PM E 短路电流I sc 表示为I sc =-qD (μn +μp B [Δξ(w -Δξ(0](44其中μn 和μp 分别为电子和空穴迁移率.注意到u =Δξ/ξ0,上式可化为I R =I scqD (μn +μp B=ξ0[u (0-u (W ](45对于电子,u =Δn/n 0,ξ0=n 0,u (Y 由(17式给出,在二级近似下由(40式给出.计算表明,在强注入情况下,短路电流I R 同样表现出与“光电导”ΔG R 类似的非线性特征.结果表明,引入载流子寿命与浓度的相关性,可以很好地描述半导体载流子的输运特征,并用双参数摄动法找到了二阶非线性输运方程的一般解,在二阶近似下,计算了半导体材料的光导电流和短路电流,进一步揭示了大信号情况下半导体光磁电效应的非线性特征[7,8].参考文献[1]Luo S Y ,Shao M Z.Dislocation model for strained superlat 2tice and dechannelling effect s of a particles.Chinese Journal of Semiconductors ,2003,24(5:485(in Chinese [罗诗裕,邵明珠.形变超晶格的位错模型与粒子的退道效应.半导体学报,2003,24(5:485][2]Luo S Y ,Shao M Z.Channelling effect s for strained superlat 2tice and phase planar characteristics of system.Nuclear PysicsReview ,2002,19(4:407(in Chinese [罗诗裕,邵明珠.形变超晶格的沟道效应与系统的相平面特征.原子核物理评论,2002,19(4:407][3]Shao M Z ,Luo S Y.Sine 2squared potential and motion behav 2iour of channeling particles for strained superlattice.Chinese Journal of Semiconductors ,1993,14(4:353(in Chinese [邵明珠,罗诗裕.正弦平方势与形变超晶格的沟道特征.半导体学报,1993,14(4:353][4]Luo S Y ,Shao M Z ,Hu X D.Average field idea and singleparticle model for 22dimension crystallization beams (Ⅰ.High Energy Physics and Nuclear Physics ,2004,28(1:96(in Chinese [罗诗裕,邵明珠,胡西多.二维晶化束的平均场概念与单粒子模型(Ⅰ.高能物理与核物理,2004,28(1:96][5]Luo S Y ,Tan Y M ,Shao M Z ,et al.Motion damping in chan 2neling effecs and chaotic behaviour of sestem.Acta PhysicaSinica ,2004,53(4:1157(in Chinese [罗诗裕,谭永明,邵明珠,等.沟道效应的运动阻尼与系统走向混沌的临界特征.物理学报,2004,53(4:1157][6]Luo S Y ,Shao M Z ,Deng C L.Sine 2squared potential and cha 2otic behaviou for strained superlattice.Chnise Journal of Sem 27471半导体学报第26卷iconductors,2005,26(2:299(in Chinese[罗诗裕,邵明珠,邓成良.正弦平方势与形变超晶格的混沌行为.半导体学报,2005,26(2:299][7]Augelli V,Vasanelli L,Leo M,et al.A t heory of t he photo2magnetoelectric effect wit h injection2level2dependent lifetime.J Appl Phys,1980,51:2784[8]Leise S.Photo2conductance of GaAs.GSI Report,2001:1[9]Nayfeh A H.Introduction to perturbation techniques.JohnWiley&Sons,1981Photo2Magneto2Electric E ffects for Strained Superlattice(ⅠL uo Shiyu and Shao Mingzhu(Dong guan Universit y of Technolog y,Dong guan523106,Chi naAbstract:The equation for continuity of the charge carries through a semiconductor superlattice is reduced to a second order nonlinear differntial equation by using the injection2level dependent lifetime derived f rom Shockley2read statistics.The general solution is found by using the two2parameters perturbation method.The PM Eshort2circuit current I sc and the photo2conduct2 anceΔG in a semiconductor are calculated in the second oder approximation.The nonlinear properties of thephoto2magneto2elec2 tric effect in the case of a large signal are f urther reversed.K ey w ords:superlattice;semiconductor;photo2magneto2electric effect;nonlinearity PACC:7240;7280Article ID:025324177(20050921744205Luo Shiyu male,was born in1940,professor.He engaged in t he research on condensation physics.Email:Luoshy@Received9December2004,revised manuscript received9May2005ν2005Chinese Institute of Electronics 8471。
介电体超晶格材料
介电体超晶格材料介电体超晶格材料1. 引言介电体超晶格材料是指由两种或多种不同介电常数的材料交替堆叠而成的结构，具有特殊的光电性质和优异的应用潜力。
这种材料的独特之处在于其电磁波传播的效应与构成层之间的相对位置和厚度有关。
本文将从深度和广度的角度出发，探讨介电体超晶格材料的基本原理、制备方法、光电性质以及应用前景。
2. 基本原理介电体超晶格材料的电磁波传播效应主要与两个方面相关：一是周期性结构的多重反射效应，二是频率选择性穿透效应。
多重反射效应使得介电体超晶格材料在特定波长范围内能够有效地抑制电磁波的传播，形成光子带隙，从而实现光的隔离和过滤。
频率选择性穿透效应则是指在特定条件下，只有特定频率范围内的光才能够穿过材料，其余频率的光被材料完全反射或吸收。
3. 制备方法目前，常见的介电体超晶格材料制备方法可以分为自组装法、物理刻蚀法和化学合成法等。
自组装法是指通过物理或化学方法将两种或多种介电材料有序自组装形成超晶格结构，能够调控超晶格的厚度和周期性。
物理刻蚀法则是利用高精度的刻蚀技术，在介电材料上进行刻蚀和去除，形成特定的周期性结构。
化学合成法则是通过溶液中的化学反应来合成介电材料的纳米颗粒，进而形成超晶格结构。
4. 光电性质介电体超晶格材料具有许多优异的光电学性质，包括光子带隙、频率选择性穿透、高透射率、高反射率等。
光子带隙是介电体超晶格材料最重要的性质之一，可用于实现光的调控和过滤。
频率选择性穿透使得材料能够用于光通信、光传感和光存储等领域。
介电体超晶格材料还具有优异的折射率、透射率和反射率，可用于设计和制备光学透镜、光学薄膜和光学反射镜等光学器件。
5. 应用前景介电体超晶格材料在光学器件、光电传感器、光热转换、太阳能电池和光通信等领域具有广阔的应用前景。
基于介电体超晶格材料的光学透镜和光学薄膜可以用于光学显微镜、纳米光刻和激光器等设备中。
介电体超晶格材料还可以应用于红外光学，通过调控光子带隙和频率选择性穿透，实现红外光的隔离和过滤。
驱动光子学革命的晶体——铌酸锂
驱动光⼦学⾰命的晶体——铌酸锂随着“新基建”的提出，5G已逐步进驻我们的⽣活，云计算、虚拟现实、数据通信与⾼清视频等业务也随之在不断地发展，带动核铌酸锂调制器(LiNbO3)。
⼼光⽹络向超⾼速和超远距离传输升级。
⽽在这个过程中，有⼀个核⼼器件是必不可少的——那就是铌酸锂调制器铌酸锂晶体的电光效应并结合光电⼦集成⼯艺制作⽽成，能够将电⼦数据转换为光⼦信息，是实现电光据悉，铌酸锂调制器利⽤铌酸锂晶体转换的核⼼元件。
具体它有何出众之处，⾸先要从其原材料铌酸锂晶体的电光效应及应⽤开始了解。
关于铌酸锂晶体铌酸锂是铌、锂、氧的化合物，是⼀种⾃发极化⼤（室温时0.70C/m2）的负性晶体，是⽬前发现的居⾥温度最⾼（1210℃）的铁电体。
(a)3英⼨光学级名义纯同成分铌酸锂晶体；(b)掺铁铌酸锂晶体光电效应多，具有包括压电效应、电光效应、⾮线性光学效应、光折变效铌酸锂晶体有两个特点尤其引⼈关注，⼀是铌酸锂晶体光电效应多性能可调控性强，这是由铌酸锂晶体的晶格结构和应、光⽣伏打效应、光弹效应、声光效应等多种光电性能；⼆是铌酸锂晶体的性能可调控性强丰富的缺陷结构所导致，铌酸锂晶体的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等进⾏⼤幅度调控。
另外铌酸锂晶体的物理化学性能相当稳定，易于加⼯，光透过范围宽，具有较⼤的双折射，⽽且容易制备⾼质量的光波导，所以长距离通信中有着⽆可⽐拟的优势——不仅具有很⼩的啁啾(chirp)效应、⾼调制带宽、良好消光光调制器在长距离通信中基于铌酸锂晶体的光调制器⽐，⽽且稳定性相当优越，是⾼速器件中佼佼者，因此被⼴泛应⽤于⾼速⾼带宽的长距离通信中。
在美国国防部的⼀项关于铌酸锂的报告中曾经有过这样⼀段对铌酸锂的评价：如果电⼦⾰命的中⼼是以使其成为可能的硅材料命在美国国防部的⼀项关于铌酸锂的报告中曾经有过这样⼀段对铌酸锂的评价：如果电⼦⾰命的中⼼是以使其成为可能的硅材料命名的，那么光⼦学⾰命的发源地则很可能就是以铌酸锂命名。
非线性光频转换理论
七、小结
• 本章简单阐述了非线性光频转换的相关理论。 从光在非线性光学晶体内的传播出发，利用 麦克斯韦方程组，得出三波非线性耦合的基 本方程。然后根据三波非线性耦合的基本方 程描述光学二次谐波产生，并分析了影响二 次谐波转换效率的各个因素。为提高非线性 光频转换效率，必须使得相互作用光波达到 相位匹配，因此本章第5节给出了相位匹配的 概念。为了充分利用非线性晶体最大的非线 性系数，以及实现宽可调非线性光频转换相 干输出，本章在第6节重点分析了准相位匹配 实现光频转换，并与传统双折射相位匹配比 较，得出其具有以下优点：
• 从光波与非线性介质相互作用的经典电磁场理论出发， 在非线性过程中，对三波耦合的情况，设参与相互作 用的三波频率分别为ω1、ω2、ω3，频率ω1、ω2和ω3 必须满足能量守恒准则，即ω3＝ω1十ω2，deff为有效 非线性系数，它与介质的性质和匹配方式有关。由于 材料的色散，相速度是频率的函数，从而导致了随频 率变化的相位关系，单位长度的相位变化用相位失配 量Δk=k3-k2-k1表示，kj=ωjnj/c(j＝1，2，3)是对应折射 率为nj的光波的波矢量。nj (j＝1，2，3)是介质中各光 波的折射率。图3是周期极化晶体结构及准相位匹配 （QPM）原理示意图，箭头方向为铁电畴的自发极化 方向。相邻两片电畴的自发极化矢量方向相反，这等 价于第二片铁电畴物性张量对第一片铁电畴物性张量 而言，其坐标系统绕x轴旋转了1800，因而与奇数阶张 量相联系的电畴的物理性质，如非线性光学系数、电 光系数、压电系数等(包括所有与奇数阶张量相联系的 物性常数)，
自激光问世以来，特别是调Q和锁模激光器的出现， 使所能获得的光场强度比过去使用的普通光源的场强高出
几十万倍以上;其电场达到可和原子内部场强（约108伏/厘 米）相比拟的程度。由此而产生的电感应极化矢量P便不 再与场强E成线性关系，而必须把 P看作是E的函数P(E)。 即表现出非线性效应。与线性光学相比，其显著的不同点
超材料与电磁波效应的关系
超材料与电磁波效应的关系超材料是一种新型材料，它具有超过自然界和传统材料的物理特性。
超材料可以使电磁波的传播和控制得到掌握，从而应用在通信、光电子和医学等领域。
本文将介绍超材料和电磁波效应的基本概念及其关系。
一、超材料的概念与特点超材料（metamaterials）是指具有人工设计晶格结构的材料。
它由人工微观结构组成，可以控制电磁波的传播方向、速度和波长等物理特性。
与自然界中的材料相比，超材料具有以下几个特点：1. 超材料的微观结构是由人工设计的，可以根据需要改变其物理特性。
2. 超材料的组分和结构可以操纵电磁波的传播方向、速度和波长等。
3. 超材料不仅可以弯曲光线、折射光线，还可以把光线分离出具有不同颜色的小光谱条，这在光电子技术中有广泛应用。
4. 超材料具有负折射率和负群速度等物理特性，这使得超材料可以实现超透明、隐身、反射和广泛的应用。
二、电磁波的基本概念电磁波是一种具有电和磁场波动的能量传输方式。
它的传播速度是固定的，一般记为c，其大小近似等于光在真空中的速度，即c=299,792,458 m/s。
电磁波的频率（f）和波长（λ）之间有一个固定的关系：c=fλ。
这个公式说明，在真空中，电磁波的速度是恒定的，频率越高，波长越短。
在介质中，电磁波的速度会发生改变，这表现为折射现象。
三、超材料可以通过操纵电磁波的传播速度和波长来控制光波。
当电磁波传播到超材料表面时，由于表面的微观结构不同于传统材料，超材料表面的等效介电常数和磁导率也不同，这可以使得传播的电磁波的速度发生改变，即出现逆相位差，出现折射现象。
这个现象可以用超材料的等效介电常数和磁导率来描述。
超材料的折射率，记为n，则为：n=c/v，其中v为电磁波在超材料中的传播速度。
当v<c时，折射率为负数，这一点与自然界中的材料不同。
这意味着，由于有了负的折射率，超材料能够反射光线，并使其绕过物体，从而实现超透明和隐身的效果。
此外，超材料还可通过调控电磁波的等效介电常数和磁导率，改变电磁波的传播方向，实现光电子控制。
p 声子晶体超晶格的能带折叠现象’
Ｆｉｇａ Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｎｏｎｉｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｆＣｕ ｔｕｂｅｓ ａｎｄ ａｉｒ
图２为正方格子简约布里渊区，计算式（３）中波矢量ｋ 值可以限定在图２中阴影部分边缘均匀取值。采用８４１个平 面波进行计算有很好的收敛性，计算结果如图３所示，从图３ 中可以清晰看出：对于二维声子晶体双原子结构能带在单原 子对称处出现了能带折叠现象。图４中揭示了声子晶体存在 能带折叠的物理原因：双原子晶格与单原子晶格在布里渊区 内具有对称性。
图４二维双原子声子晶体超晶格布里渊区折叠情况
Ｆｉｇ．４
Ｆｏｌｄ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｓｑｕａｒｅ ａｒｒａｙ ｐｈｏｎｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｉｎ Ｂｒｉｉｌｏｕｉｎ ｚｏｎｅ
３结论
通过对声子晶体超晶格的能带情况进行分析可知：声子 晶体能带与半导体超品格、光子晶体超晶格的相同，都具有 能带的折叠现象。二维声子晶体超晶格的能带折叠的出现是 由于布里渊区存在折叠情况。能带折叠现象在声子晶体超晶 格、光子晶体超晶格和半导体超晶格中都是存在的，三者之 间存在更强的相似性，这样可以采用在半导体超晶格和光子 晶体超晶格中成熟的方法来研究新型功能材料声子晶体，同 时为晶体能带理论的统一性研究提供基础。
５ 解芳，杨红霞，邵惠丽，等．从丝素水溶液中再生的丝纤ｔｉｏｎｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｉｎ ｓｉｌｋ ｆｉｂｒｏｉｎ ｂｙｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ：ａ Ｒａ－
维的结构与性能．合成纤维工业，２００６，２９（２）：８
ｍａｌｌｓｔｕｄｙ．ＪＭｏｌｅｃｕｌａｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅ，２００５，７４４－７４７：６８５
杨立峰：男，１９７９年生，博士生，研究方向为声子晶体能带结构及其相关技术Ｔｅｌ：０２８－８３２０２６１３ Ｅ·ｍａｉｌ：ｍｙｔｈｌｏｃｕｓｔ２０６＠１６３．ｃｏｒｎ
超晶格、光子晶体及声子
30
三、光子晶体 6
➢大量的原子按一定的空间排布结合在一起组成 晶体。在这些结构中，原子是有规则排列的， 价电子不再专属于某个原子，而是在晶体中做 共有化运动，因此原子的某些分立的能级形成 由一定能量范围内准连续分布的能级组成的能 带，相邻两个能带之间可能存在一定的能量区 间，称为能隙。电子不能在能隙中存在，只能 在能带间跳跃。
• 量子阱的结构
图4 AlGaAs/GaAs量子阱结构
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二、超晶格材料——量子阱 12
• 负阻效应 ➢图 5 中 曲 线 BC 显示负阻效应， 即遂穿电流随 电压的升高而 降低。
图5 共振遂穿三极管的I-U曲线
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二、超晶格材料——量子阱 13
• 应用
➢ 发光材料（LED等）
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二、超晶格材料——量子阱 14
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➢图 1 ( a ) 是 两 种 组 分 超 晶格结构示意图，构 成超晶格的两种材料 有不同的禁带宽度， 按它们的能带差异分 为图1（b）所示的I型 超晶格和图1（c）所 示的Ⅱ型超晶格。
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二、超晶格材料——量子阱 4
➢组分超晶格是指在同一块单晶上生长的 大量重复相间的薄层，通常是由两种不 同材料在一个维度上层状排列的周期结 构。其中，每层的厚度都很小，可和电 子的德布罗意波长相比，因此其周期远 小于电子非弹性散射的平均自由程。
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三、光子晶体 10
➢ 光子分子与真实分子的类比能更好地说 明光子与电子行为的相似性。图11(a)是 光子分子的扫描电镜照片，即用两个光 子原子构成一个类H+2分子。随着两个光 子原子间距的缩小，基态光子模式分裂 为两个能级，见图11(b)。
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图 11(a) 光子分子结构的SEM照片 (b) 光子分子的光致 发光谱，从上往下光子原子间距逐渐缩小
非线性光频转换理论
非线性光频转换理论一、 引言弱光通过光学介质时，光与物质相互作用一般均可用电磁场与物质相互作用的普遍方程—麦克斯韦方程组来描述，但其中电感应极化强度仅包含有线性项。
我们把这种光学范畴称作线性光学，其主要特点为：（1） 在光和物质的相互作用中，光学材料的许多参数与外界光场强度无关。
如介质折射率是与光强无关的常数，吸收、衰减也只随波长和传播距离变化，而与光强无关。
（2） 在光和物质相互作用过程中满足叠加原理。
物质对入射各光场的作用始终遵循线性变换原则，其输出的光场仅为入射光场的线性组合，即只出现能量在不同频率的光波电场间重新分配，一般不产生新的光频，光在介质中传播时保持频率不变。
多光波通过光学介质时，不出现和频及差频等现象。
自激光问世以来，特别是调Q 和锁模激光器的出现，使所能获得的光场强度比过去使用的普通光源的场强高出几十万倍以上;其电场达到可和原子内部场强（约108伏/厘米）相比拟的程度。
由此而产生的电感应极化矢量P 便不再与场强E 成线性关系，而必须把 P 看作是E 的函数P(E)。
即表现出非线性效应。
与线性光学相比，其显著的不同点是：（1） 在光和物质的相互作用中，物质的光学参数（如折射率、吸收系数等）表现为与光强有关，不再是常数。
（2） 光和物质相互作用中，由于各种频率的光场产生非线性耦合，因而常产生新的频谱。
显然不再满足叠加原理了。
这种研究电感应极化强度非线性效应规律的学说，目前称之为非线性光 学[1]。
非线性光学的发展大致经历了三个阶段，第一个阶段（1961-1965）是一系列非线性光学效应被发现的阶段。
在梅曼1960年发明了第一台红宝石激光器以后不到一年的时间里，Franken 等人就发现了光学倍频现象。
此后，光学和频、差频、光学参量放大、参量振荡、参量荧光以及多光子吸收、自聚焦、受激散射等现象被相继发现。
它们的潜在应用价值立即得到公认，不久，非线性光学就成为不断发展着的量子电子学领域中的一个重要分支。
超晶格结构与声学带隙的研究
超晶格结构与声学带隙的研究近年来，随着科技的快速发展和人们对新材料的不断追求，超晶格结构与其在声学领域中的应用越来越受到研究者的关注。
超晶格结构是一种由多种不同材料交替排列而成的晶格结构，其具有周期性的特点，以及在一定频率范围内产生声学隔离性能的能力。
本文将重点讨论超晶格结构的形成机理、声学隔离特性以及相关研究领域的最新进展。
一、超晶格结构的形成机理超晶格结构的形成机理是由多种不同材料相互交错排列而成的。
当不同材料的晶格常数差异较小时，通过合适的制备工艺可以实现超晶格的形成。
一种常见的方法是利用分子束外延（MBE）技术在表面进行原子沉积，通过调控原子束的强度和沉积速度，使得不同材料原子按照一定的规律交替留在表面上，从而形成超晶格结构。
二、超晶格结构在声学领域中的应用超晶格结构在声学领域中具有许多应用。
其中最重要的一项就是声学隔离。
声学隔离是指通过合适的结构设计，在特定频率范围内实现声波的隔离和阻挡。
超晶格结构可以通过控制不同材料的密度、厚度和仿生结构的设计实现声音的隔离。
这使得超晶格结构在建筑材料、声学设备等领域中得到广泛应用。
三、声学带隙的研究进展声学带隙是指在特定频率范围内，声波无法传播的区域。
随着对超晶格结构的研究不断深入，科学家们发现超晶格结构可以在声学带隙中产生声学波的截断和折射现象。
此外，研究人员还发现通过调节超晶格结构的物理参数，可以实现声学带隙的调节。
例如，改变超晶格的厚度、材料的组成和晶格常数等，可以改变声学带隙的大小和位置。
四、超晶格的潜在应用领域超晶格结构在声学领域的应用潜力巨大。
一方面，超晶格结构可以用于设计和制备新型声学隔离材料，提高建筑材料的隔声性能，为城市环境的噪音污染问题提供解决方案。
另一方面，超晶格结构还可以应用于声学设备中，例如扬声器和麦克风，提高声音的传播效率和质量。
综上所述，超晶格结构作为一种新型材料结构，在声学领域中的研究和应用正不断取得新的突破。
通过研究超晶格结构的形成机理和声学隔离特性，科学家们不断发现新的声学带隙现象，并开发出更多基于超晶格结构的应用。
介质材料的介电特性与电磁波传播关系研究
介质材料的介电特性与电磁波传播关系研究电磁波是由电场和磁场交替变化而形成的一种能量传播形式，而介质材料则是电磁波传播过程中不可忽视的要素之一。
介质材料的介电特性对电磁波的传播有着重要的影响，并且在电磁波的应用领域中具有广泛的意义。
本文将探讨介质材料的介电特性对电磁波传播的影响，以及相关研究的进展和应用前景。
介质材料的介电特性是指材料在电场作用下的电响应行为。
在介质中，电场作用下的分子、原子或离子会发生极化，导致介质内部出现电偶极矩。
这种电偶极矩的形成使介质具有了承载电荷、传导电流以及储存能量的能力，从而影响电磁波的传播。
介质材料的介电特性可以通过介电常数来描述，它是一个无量纲的物理量，反映了介质材料对电场的响应能力。
介质的介电常数在不同频率下会发生变化，这与介质材料内部的分子、离子以及局域电子结构有关。
在低频情况下，介电常数主要与分子或离子的极化有关；而在高频情况下，局域电子结构的响应将主导介质的电性质。
总之，介质材料的介电特性决定了电磁波在介质中的传播速度和传播方向。
介电特性对电磁波传播的影响体现在两个方面，即传播速度和传播损耗。
以光波为例，介质的介电特性决定了光波在介质中的传播速度，即折射率。
光的折射现象是由于光波从一种介质传播到另一种介质时，由于介质间的介电特性不同，导致光波的传播方向发生偏折。
根据折射定律，介质的折射率与入射角度、出射角度以及两种介质的介电特性有关。
另一方面，介电特性还决定了电磁波在介质中的传播损耗。
传播损耗主要包括吸收损耗和散射损耗。
吸收损耗是指介质中吸收电磁波能量并转化为热能的现象，它与介质的介电损耗因子有关。
散射损耗是指电磁波在介质内部或界面上与介质微观结构发生相互作用而损失能量的现象，它与介质的散射损耗因子有关。
介质的介电损耗因子和散射损耗因子都是介质材料内部微观结构的属性，与材料的成分、结构以及制备工艺密切相关。
近年来，随着材料科学、光学等领域的不断发展，研究介质材料的介电特性对电磁波传播的影响已经成为一个热门的研究方向。
一种基于电磁声子理论的深部铀资源探测技术方法[发明专利]
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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010428183.2(22)申请日 2020.05.19(71)申请人 核工业二三0研究所地址 410011 湖南省长沙市雨花区桂花路34号(72)发明人 邹明亮 刘子杰 李杰 范立亭 黄宏业 欧阳平宁 陈琪 王前林 章健 董湘龙 (74)专利代理机构 郑州欧凯专利代理事务所(普通合伙) 41166代理人 李宣宣(51)Int.Cl.G01V 11/00(2006.01)(54)发明名称一种基于电磁声子理论的深部铀资源探测技术方法(57)摘要本发明公开了一种基于电磁声子理论的深部铀资源探测技术方法，本发明基于从矿体本质出发的角度考虑，以地应力作用下的晶体变形理论为基础，从理论角度了解电磁声子的传播特性，利用三分量高精度电磁信号采集系统实现电磁信号的高精度采集工作，同时实现海量数据快速传输、存储、同步处理等先进技术获得完整电磁声子信号；通过信号分离手段获得信号时频特征提取典型铀矿体的专属信号特征，并形成铀矿体电磁声子信号数据库，基于矿物晶体本身释放的电磁声子信号，提取的铀矿体信号特征，利用多台同步信号采集器与处理系统通过信号时间差等方法获得地下介质三维空间内的深部铀矿体电磁声子信号定位，实现深部铀资源的三维立体探测。
权利要求书6页 说明书13页 附图7页CN 111505734 A 2020.08.07C N 111505734A1.一种基于电磁声子理论的深部铀资源探测技术方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：电磁声子信号产生机理与传播特性；①声波与电磁波的耦合效应——电磁声子；通过压电效应,压电体超晶格中的纵振动声波将引起横向电极化,这一极化会与某一特定波段的电磁波强烈耦合,从而出现通常离子晶体中所没有的极化激元；在地球旋转模式变化和万有引力的影响下，地球内部具有类压电体性质的岩石应力状态会发生变化，岩石因受到挤压而产生形变直至破碎，可形成电磁波与声波的耦合，产生电磁声子；固体物理中的极化激元是凝聚态物质中一类重要的元激发，是电磁波与物质极化波的混合态或耦合模，其耦合量子被称为极化激元；离子晶体中横光频支声子与电磁波的耦合模被称为声子-极化激元；压电材料受力时会产生电极化，同样受到外电场作用时将发生应变；压电超晶格振动会被在其中传播的电磁波激发出来，另一方面超晶格振动也会激发电极化；通过压电效应，纵振动能够与电磁波发生强烈耦合，产生极化激元和介电异常等物理现象；为了清晰地说明上述思想，考虑下列情况，以周期极化铌酸锂晶体构成的压电体超晶格为例，周期畴沿x轴方向排列，其中正负畴等厚(设厚度为d)，假设压电体超晶格的横向尺寸远远大于声波波长，该体系便可以用一维模型来简化处理，其中y方向偏振的电磁波沿x 方向传播；在此情况下，该体系会激发出纵超晶格振动；适合这一情况的压电方程为：其中T1、S1、E2和P2分别表示应力、应变、电场和电极化；e22(x)和分别是弹性系数、压电系数和介电系数；在电场作用下，正负畴的运动将发生变化；正畴膨胀则负畴收缩，亦或相反，这将导致在正负畴的同一面上出现相同符号的电荷，也就是压电体超晶格被整体电极化，即通过压电效应，纵声波S1引起横向极化P2，这可以从上述方程中看出来；根据麦克斯韦方程，横向极化P2又会激发电磁波，而这激发出的电磁波会与原来入射的电磁波发生耦合，产生极化激元；换句话说，就是横向极化P2与电磁波强烈耦合；这类似于横光学支的晶格振动，在那种情况下带正电荷的离子与带负电荷的离子振动方向相反，这种振动可与光波电场耦合；运用牛顿定律，可以得到压电体超晶格纵振动的运动方程：其中ρ为密度；可以看出压电体超晶格是一个受迫谐振器，电磁波将激发出沿x轴传播的纵声学波，二者频率相同；在长波近似下，可求得介电函数的空间平均值为：这里ωL＝mπv a/d，且m取1，3，5......，其中ωL代表压电效应产生的超晶格纵振动的谐振频率，表示声速；纵声波引起的横向电极化与电磁波间的耦合产生的极化激元的色散关系可由上式以及麦克斯韦方程导出其中，c是真空中电磁波的传播速度；上述结果类似于离子晶体中极化激元的色散关系，在那里电磁波与横光学声子强烈耦合；压电体共振时电磁波与超晶格振动具有近乎相等的频率和波数，共振频率由压电体超晶格的周期大小决定，共振区域的传播模既非纯的光学模，也非纯的纵声学模；在离子晶体中，极化激元是电磁波与横光频支声子的耦合；在压电体超晶格中，极化激元是电磁波与声频支声振动的耦合；而且，在压电体超晶格中，电磁波不仅可与横声频支声振动耦合，还可以与纵声频支声振动耦合，这在离子晶体中是无法实现的；这是因为在压电体超晶格中，这些声频支的声振动通过压电效应会导致超晶格的横向极化；本发明专利借鉴前人在压电体超晶格方面的理论研究成果，首次将其应用于深部铀资源探测领域，本发明专利称其为“声(频支)电耦合模式”，本专利中简称电磁声子；②地下介质中电磁声子信号的传播特征——电磁振荡；电磁声子信号的传播可以看做地下介质发生LC回路的电磁振荡，在地应力作用下发生声电耦合，进而持续产生电磁声子；所谓电磁振荡是指在电路中，电荷和电流以及与之相联系的电场和磁场周期性地变化，同时相应的电场能和磁场能在储能元件中不断转换的现象；这种往复的电磁振荡称为自由振荡，相应的振荡频率称为电磁振荡的固有频率，相应的周期称为电磁振荡的固有周期；最简单的振荡电路，是由一个电感线圈和一个电容器组成的LC电路；在LC振荡电路中，振荡周期振荡频率如果电路有电阻，即有能量损耗，则发生阻尼振荡，能量逐渐以热能形式耗散；如果同时有交流电源的存在，则由于电源不断提供能量，补偿在电阻上的能量损耗，稳定后电路中电流、电荷的振幅将保持恒定，则形成受迫振荡，受迫振荡的频率等于交流电源的频率；LC电路中电磁波辐射需满足以下3个条件：①要有足够高的振荡频率；②振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才能有效地把电磁场的能量传播出去，即电路为开放电路；③电路必须由外界不断的补充能量；当接收电路的固有频率跟收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫做电磁谐振；电谐振的条件是这两个振荡电路的固有频率相同，即：f1＝f2，而地下介质正好满足上述条件，依据分形理论，可以将地下介质看做无数个LC振荡回路的组合，石英等矿物具有压电效应，且在绝大多数的岩石中均存在；当地质体在地应力持续作用下达到产生电磁声子阈值时，可提供源源不断的动力；地质体在地应力的作用下发生晶格震动，引起电极化，发生声波与电磁波的耦合，释放电磁声子；声波振动会在晶格表面形成正负电荷，可以看做一个电容器，与其他晶格形成LC 振荡回路，地应力提供能量的补充，释放电磁波，电磁波频率与振荡回路频率相一致(线路1)；线路2中，晶体在接收来自线路1释放的电磁波，同时受到地应力机械振动的作用，二者再次发生耦合作用，产生电磁声子，进而实现电磁声子信号的长距离传播；步骤S2：野外样品采集，进行实验室物理模拟的基础是样品的采集与制作；根据工作目的及技术方法的需要，在充分了解和掌握研究区铀成矿地质条件的基础上，区分矿石与非矿石在矿物组成、岩石结构构造中间的差异性，为单矿物与铀矿石的优选提供参考依据；利用钻探、坑道、槽探等工程以及进行地表揭露等手段选取工作区典型铀矿石、围岩等样品，按照10cm×10cm×5cm的标准制作样品，进行实验室压裂试验工作；步骤S3：实验室压裂试验，通过在实验室对典型样品进行加压试验，利用三分量高精度电磁辐射仪采集压裂过程中释放的全波形电磁信号，进而为后续的电磁声子信号提取与分离提供基础；实验室压裂试验部分主要包括三分量高精度电磁辐射仪与自动化液压系统；利用三分量高精度电磁辐射仪与自动化液压系统对样品进行不同压力条件下全波形电磁信号采集工作，获取样品全波形电磁信号；由于样品在不同的压力条件下，释放的电磁信号有较大差异，而电磁声子信号正是在这个压裂过程中由于晶体变形所释放的电磁信号，因此需要采集整个压裂过程的全波形电磁信号，进而用于后续电磁声子信号的分离与提取工作；对不同岩性的标准样品在实验室进行压裂试验，利用液压机对矿石样品进行不同压力条件下的加压处理，同时采用三分量高精度电磁辐射仪对岩石矿体所释放的全波形电磁信号进行观测采集，观测加压过程中释放电磁信号的变化；同时，考虑到样品各向异性的存在，因此将对样品的不同界面进行观测，进而分析各向异性对矿体电磁信号的影响；步骤S4：典型铀矿体电磁声子信号时频特征分析与数据库的建立，在信号处理方面采用带通滤波与变分模态分解两种算法进行电磁声子信号的识别、分离与提取工作，获得典型铀矿石、围岩的电磁声子信号特征；①带通滤波算法；由于三分量高精度电磁辐射仪采集的信号频带较宽，以采样频率为500kHz为例，采集信号的频带范围为0～250kHz，基于对电磁声子理论的理解，其频带范围约为200Hz～100kHz，因此在进行信号提取和分离前进行带通滤波处理，滤去高频、低频信号，保留中间所需频率；②变分模态分解；在进行了带通滤波处理之后，对于电磁声子信号的分离和提取采用变分模态分解算法；相关学者在地球表面记录到的辐射频谱非常宽，从10-4～10-6Hz及以上，而在频率1kHz～100kHz及以上的频带内，它具有脉冲特性，这些理论已经得到了证实；基于对电磁声子信号的研究和分析可知，该信号具有脉冲特性，同时属于非线性、非平稳信号，因此变分模态分解算法对此类信号具有较好的处理能力；经过带通滤波与变分模态分解处理之后，可以从复杂的全波形电磁场信号中将电磁声子信号分离和提取出来，得到的典型铀矿石与石英电磁声子信号时频特征；在进行典型铀矿石、围岩电磁信号特征研究的基础上，利用数学统计学方法对数据进行总结归纳，通过综合对比分析，圈定强辐射频谱区间，明确铀矿石的特征峰值，利用频谱分布及形态特征，建立铀矿石频谱特征识别概念模型及判别标志，构建铀矿石电磁声子特征信号数据库，为后续实测信号处理解释提供依据；步骤S5：野外数据采集；数据采集与处理过程主要包括：参考站与测量站的仪器同步、试验信号的预处理分析、实测信号的VMD分解、目标信号提取、信号相似点搜索及其参数矩阵的构建与求解以及结果成图与地质解译；①在采集方案方面，依据勘探目的、工作区地质地形条件及相关航空电磁勘探规范等进行测线布置、参考点的选择以及航空测量方案的确定；野外数据采集包括地面参考点数据采集与测线航空测量工作，两台或多台仪器利用内置GPS实现信号同步与定位；参考点选择电磁干扰相对比较小的地点，采用连续采集模式不间断进行数据采集，同时利用参考站信号观测脉冲信号的特征；②数据预处理与分析：利用参考站与测量站信号进行试验性采集与分析，利用信号相似性搜索，确定二者是否可以同时采集到相同的脉冲信号，进而判定数据采集的有效性；③测线的数据采集工作利用无人机加载三分量高精度电磁辐射仪进行航空测量，无人机飞行高度依据工作区地形确定，飞行速度应尽量保持低速飞行；两台或多台仪器采集的数据包进行后续的同步处理分析，进而获得深部铀矿体电磁声子信号；步骤S6：野外测量数据处理解译与成图；野外测量数据的处理解释工作主要包括信号VMD(变分模态分解)处理与目标信号提取、多道同步信号相似点搜索、深部铀矿体电磁声子信号定位技术以及三维成图显示；①采集信号VMD处理与目标信号的提取；对参考站与移动测量站，采用一台或多台采集的电磁信号利用VMD算法进行去噪、分离，提取不同频率成分的脉冲信号，同时结合已建立的典型矿体的电磁声子脉冲信号特征数据库依据其时频特征确定目标信号成分，获得工作区矿体脉冲信号时间序列；②多道同步信号相似点搜索技术；时间序列的相似性是时间序列数据挖掘中很重要的内容，可以发现并提供许多有用信息；目前时间序列相似性的搜索算法有很多，但大多应用于解决多条时间序列间的相似性匹配问题，不能直接有效完成单一时间序列相似段自动搜索的任务；本发明专利采用基于移动窗口的单一时间序列相似波段自动搜索程序，可以在较短时间内完成对规模较大的单一长时间序列的自动搜索任务；根据时间序列的变化类型，主要可以划分为趋势性、周期性、随机性和综合性，展示两种类型的时间序列；其中，序列类型1不仅随着时间进程而缓慢变化，可能还具有一定的周期性，数值在一定范围内上下波动，属于综合性时间序列；序列类型2具有明显的周期性，信号振幅上下对称，属于周期性时间序列；单一时间序列相似段的搜索实质是对比序列中不同位置序列段的相似性；可以通过一个移动窗口，将单一序列截成多段子序列，使单一序列搜索问题转换成多条子序列间的相似性匹配问题；具体算法流程可以分为数据预处理、子序列提取、相似线段对比及提取；在预处理过程中，若待搜索的时间序列为类型2，可以先进行希尔伯特变化，求得该序列的包络线；由此，将序列类型2的相似性匹配问题转换成序列类型1的相似性匹配问题；另外，本算法通过移动窗口C和序列特征点，如：极大值、极小值，进行截取子序列；在对比及提取模块中，可以获得相似子序列的位置；当单一原始序列中的相似段长于窗口大小，则会获得多组在原始序列中位置相近的相似子序列组合；因此，需要将所有相近的结果进行合并，并得到最终的搜索结果；利用信号相似点搜索技术，对固定参考站与移动测量站信号进行相似性搜索，进而获得相似点空间坐标与时间；而后利用到达信号的相位差获得信号到达时间差，形成包含信号相似点空间坐标、到达时间差的数据矩阵；③深部铀矿体电磁声子信号定位技术；在深部铀矿体电磁声子信号定位方面，同时对参考道、测线航测信号进行同步分析处理，利用TDOA时间差定位算法获取信号空间位置；在前期对工作区铀矿石电磁声子信号特征研究的基础上，对两道或多道信号进行时频分析，提取分离深部铀矿体电磁声子信号及频率特征，进而利用TDOA算法实现信号源定位；在利用TDOA信号定位算法实现深部铀矿体电磁声子信号三维空间分布位置之后，而后可利用三维绘图软件进行处理结果的显示；根据概率论，发射点集中部位为脉冲信号发射位置，反映深度地应力集中部位，进一步区分可能存在的岩性信息；获得电磁声子探测脉冲数曲线与电磁声子探测深部信号定位结果图，进而可结合地质成矿条件，厘定有利成矿部位。
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介电超晶格中电磁波和声波的耦合物理效应
介电体超晶格是一种人工微结构材料，近几十年来一直是研究热点。
结构调制赋予介电体超晶格多种独特的光学和声学效应，因此又被分为光学超晶格和声学超晶格。
本文主要研究介电体超晶格中的部分耦合物理效应，这些耦合效应主要指的压电体超晶格中电磁波与超晶格振动耦合诱导的超声激发和声子极化激元、压电压磁超晶格中的磁电耦合效应和声子极化激元间耦合形成耦合模、光学超晶格中独特电光效应导致的电磁波间的耦合。
另外，就超晶格的电光效应和超声激发的应用作了理论和实验研究。
本论文的主要结果如下： 1、在黄昆等人关于离子晶体中极化激元研究成果及课题组关于压电超晶格研究成果基础之上，我们提出一个理论模型，将离子晶体和压电超晶格统一起来，对声子极化激元在二者中的形成情况做了对比，我们发现了一维压电超晶格中声子极化激元的形成机制和条件。
压电体超晶格中的压电系数调制，内禀的压电效应和逆压电效应共同保证了电磁波与超晶格振动(超声波)的相互激发，因此因周期调制产生的体超声波总能与激发它的电磁波耦合形成声子极化激元，没有任何附加条件。
2、讨论了在一维压电压磁超晶格(PPSL)中磁场和电场以超晶格振动为纽带的耦合效应。
不同于已有文献中的分析，在此没有预先假定的磁电项，我们从材料固有的压电效应和压磁效应入手，自然地导出了磁电效应，并得到有效介质的本构方程。
然后利用本构方程，从理论上分析BaTiO3/CoFe2O4压电压磁超晶格中的共振磁电效应，得到了高达14.9 Vcm-1Oe-1的纵向磁电电压系数，并分析了得到如此巨大耦合系数的原因，以及影响耦合系数的各个因素，最后与他人的理论和实验结果进行了对比，结果是吻合的。
3、利用Maxewll方程和我们得到一维压电压磁超晶格的本构方程，研究了电磁波在BaTiO3/CoFe2O4超晶格中的传播。
在传播过程中，两垂直偏振的电磁波的平行电场和磁场分量可以和同一超晶格振动耦合，最终形成磁电耦合型声子极化激元，同时伴随着磁电效应。
我们发现对沿周期方向(Z方向)传播的电磁波，伴随的磁电耦合破坏了可能发生的负折射。
为了
便于理解并与已有的理论和实验基础(关于压电极化激元和压磁极化激元)相联系，可以将它理解为压电极化激元与压磁极化激元耦合(以同一振动为纽带)形成的声子极化激元耦合模。
色散分析表明耦合使得电磁波的传播特性发生了巨大的变化，特别是在谐振频率附近。
同样形成声子极化激元耦合模，波矢平行于周期排列方向的电磁波不能传播，而垂直周期方向却能传播，仅在谐振频率两边有不同的传播模式(色散关系)。
进一步的电磁场分析阐明传播模存在的原因：不同于纯压电或纯压磁超晶格，由超晶格振动联系的电磁场分量的耦合，使得电磁波与超晶格振动的强烈耦合并不总是意味着强烈的晶格振动。
4、在课题组陆延青教授的研究基础之上，我们对光学超晶格铌酸锂(OSL LN)独特的电光效应设计了电光折叠Solc窄带滤波器，并分别做了温度和电场调谐设计；同年，上海交大某课题组的实验验证了该滤波器的温度调谐。
与26所声光研究室展开合作研究，利用我们提供的声学超晶格铌酸锂(ASL LN)作为换能器，制备了300MHz和1GHz 的声光器件，并在实际使用的条件下进行了测试。
测试结果表明了ASL 换能器
的优点和不足：大带宽，工艺简单，低成本，但机电耦合系数与生产效率还需提高。
为了ASL技术进一步走向实用化，针对不足我们设计了新的ASL制备方案。
为得到大机电耦合系数，高产率更低成本的ASL，我们已用极化反转法制备了压电陶瓷超晶格，周期在10-50微米；为得到更高频率的ASL，我们用双靶磁控溅
射制备薄膜超晶格，目前我们得到了数十GHz的超声谐振，并具有近OdB的插入损耗，特别是压电压磁超晶格薄膜，具有磁电多频率响应，为制备磁电多功能多频率工作的声学器件提供了一条新的途径，比如说低插损的超声换能器。