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[学位论文] 孙涛江苏大学 2021年博士导师: 丁建宁共168页

摘要 : 带状硅生长技术可以避免传统硅片制造中由线切割工艺造成的材料浪费和表面损伤，将大大降低体硅太阳电池制造成本。相比于垂直硅带生长方法，水平带状生长(HRG)方法扩展了固-液界面接触线，为凝固过程潜热的耗散提供了更大的区域，易于实现高生长速率... 展开带状硅生长技术可以避免传统硅片制造中由线切割工艺造成的材料浪费和表面损伤，将大大降低体硅太阳电池制造成本。相比于垂直硅带生长方法，水平带状生长(HRG)方法扩展了固-液界面接触线，为凝固过程潜热的耗散提供了更大的区域，易于实现高生长速率。然而，HRG方法对硅带生长过程控制要求高，目前HRG生长模型还无法解释硅带生长的过程。因此，本文针对水平硅带生长过程中凝固成型、传热传质、高效换热机制等问题，建立包含传热、流体流动、物质传递以及移动网格的多物理场耦合模型，系统研究了硅带水平凝固成型机理、生长过程中熔体内部复杂对流机制以及射流冲击硅片表面换热和应力分布特性，最后进行水平硅带生长装备的样机设计。论文主要研究内容和创新结果如下： 1.基于流体力学、热力学、表面力学等理论，建立了HRG凝固生长过程多场耦合有限元模型。研究硅带水平运动引发的强迫对流对热质输运的影响，分析了表面热通量、冷却方式、提拉速度等参数对硅带成型厚度的影响规律；阐明了氧杂质浓度在热流耦合作用下的对流扩散机制，揭示了固-液-气三相接触界面在多物理场耦合作用下的变化规律。结果表明，模型预测了凝固的生长和扩散行为，2D成核发生在三相接触线处，首先形成台阶，然后沿着凝固界面向下传播；硅带在稳定状态下成型的厚度受水平提拉速度和射流换热量影响，提拉速率越快形成的硅带越薄，当提拉速率高于临界值时会破坏稳定生长条件；采用射流冷却方式可将凝固过程中释放的潜热通过垂直方向去除，这是HRG过程可实现快速生长的主要条件之一；凝固界面氧杂质含量的分布主要受熔液内部对流的影响，在热毛细对流强度较大区域其氧浓度较高。 2.构建了HRG过程中熔体内部的复杂流动模型，研究了温度梯度下热毛细-浮力效应以及移动壁面对硅熔体热场和流场的影响规律，系统研究了无量纲参数Ma、Ra和Bi对热-质传输以及固-液界面速度分布和温度分布的影响，探讨了坩埚尺寸长宽比A对熔融硅传热传质的影响，分析了自由表面温度和速度的振荡特性，阐明了界面流动机理。研究表明：对于Ma较小的情况下(Ma＜100)，硅液内部的传热方式以热传导的方式进行，提拉速率大小对熔体内部的对流起着决定性作用。Bi数的增加可以降低自由表面温度的非线性程度，从而削弱热毛细效应。在换热量较大的情况下(Bi较大)，硅带获得高生产速率的同时熔体内部的温度受热毛细效应的影响减小。当Ma增加到临界值时，自由表面处将会由热毛细效应产生温度和速度振荡，较大的Ma将会引起较早的温度振荡时间，和较大振幅的温度振荡。温度的振荡特性几乎不受Bi和Vg影响。适当减小坩埚尺寸长宽比A的数值可以有效削弱热毛细作用，从而可以更好地维持固-液界面温度场的稳定性。 3.系统研究了HRG生长过程中，使用惰性气体氩气作为冷却气体冲击硅片表面换热的特性，探讨了射流参数对换热量的影响，揭示了射流换热条件下硅片热应力的分布规律。结果表明：降低射流间距H/wj、增加入口雷诺数Re、降低射流入口流体温度Tin，都可以增强三相接触线处的换热量，可以提高HRG工艺生产效率。冲击表面的Nu数为高斯分布，驻点区域换热量最高，远离驻点换热量逐渐降低，三相接触点处换热量与驻点区域比值为96%。此外，射流冲击换热条件下，硅片内部会产生热应力，而在表面形成冲击应力。在换热量较大参数条件下，硅带在获得较高生长工艺的同时其内部应力相对较低。 4.基于以上模型分析，从水平硅带生长原型机的热场结构、射流冷却装置、提拉机构以及相关的控制系统等几个方面着手设计并搭建了HRG工艺的原型机。原型机的热场结构主要由坩埚、加热器、射流装置、温度测量与反馈系统以及隔热材料组成。针对硅熔体上表面出现的熔化不完全和表面氧化的现象，对水平提拉硅带成型原型样机进行了热场优化设计并提出增加导流装置设计。收起

关键词 : 带状硅水平提拉成型对流机制换热特性应力分布

2. 大变形纯钛材生物陶瓷膜层的制备与生物摩擦学性能研究

[学位论文] 徐琳江苏大学 2014年博士导师: 丁建宁共160页

摘要 : 钛材是重要的医用植入物材料，然而在生理环境下存在生物活性不足、耐磨性差的问题，影响了其长期植入安全，本文以解决该问题为目标，选用纯钛材与经等通道转角大应变技术制备的大变形纯钛材为研究对象，综合运用微弧氧化及水热处理法对其进行表面改... 展开钛材是重要的医用植入物材料，然而在生理环境下存在生物活性不足、耐磨性差的问题，影响了其长期植入安全，本文以解决该问题为目标，选用纯钛材与经等通道转角大应变技术制备的大变形纯钛材为研究对象，综合运用微弧氧化及水热处理法对其进行表面改性，对改性膜层作为医用植入物面临的生物相容性、摩擦损伤等关键性能问题展开系统研究，所开展的工作及取得的创新性结果如下: 深入研究了电解液中频率、氧化时间、电流密度、Ca/P比和占空比等微弧氧化工艺参数对膜层结构的影响规律。结果表明，降低频率、延长氧化时间可提高微弧氧化膜层表面孔隙的平均孔径、孔隙率、粗糙度、Ca/P比以及金红石相TiO2的相对含量;提高电流密度、降低电解液中Ca/P比可使膜层表面孔隙的平均孔径呈现出先增大后减小的变化规律，而提高占空比则主要改善膜层表面形貌。对比评价了纯钛材与大变形纯钛材微弧氧化膜层的微观组织结构与理化性能。研究发现，与纯钛材微弧氧化膜层相比，大变形纯钛材微弧氧化膜层的孔洞分布更均匀致密，孔径更小，微米级小孔数量更多，孔隙率更高，表面更光滑平整，粗糙度更适宜，硬度值更高，膜-基结合能力更强，耐腐蚀性更好，接触角提高，表面能降低。考察了纯钛材与大变形纯钛材微弧氧化膜层在干摩擦、模拟体液和小牛血清润滑液等不同润滑条件的生物摩擦学性能。研究显示，大变形纯钛材微弧氧化膜层在干摩擦、小牛血清润滑和模拟体液润滑状态下摩擦学性能皆优于纯钛材微弧氧化膜层，小牛血清能起到更有效的润滑作用，小牛血清润滑条件下的大变形纯钛材微弧氧化膜层的耐磨性能更优。为进一步提高生物活性，利用水热法将纯钛材与大变形纯钛材微弧氧化膜层以非晶态的形式存在的Ca+、PO43-转变为晶态的羟基磷灰石(HA)，制备了TiO2/HA复合陶瓷膜层，分析了水热处理对膜层结构及润湿性能的影响。结果表明，水热处理后膜层表面HA颗粒结晶形核可提高膜层表面能，膜层表面HA晶粒数目体积随着水热时间的延长而增加，表面粗糙度呈先下降后上升的趋势。水热处理7天后，大变形纯钛材复合陶瓷膜层表面获得更接近人自然骨Ca/P比的针状HA晶体。对改性膜层进行了体外细胞及血液相容性实验研究。结果显示，所有试样都无细胞毒性，都符合医用材料的溶血率要求，并且大变形纯钛材复合陶瓷膜层的细胞相容性与血液相容性最优，更能有效促进成骨细胞的黏附和铺展，其表面的成骨细胞双层重叠生长结构更为明显，并且血小板没有被激活。综上所述，纯钛材大变形显著改善了其改性膜层的表面结构、硬度、膜基结合力、耐腐蚀性、生物摩擦学及生物相容性等性能，这主要归因于大变形使纯钛材晶体缺陷增多，自由能增加，为改性膜层的形核提供了更多的能量与扩散通道，具有明显的提升表面改性膜层性能的作用。大变形纯钛材微弧氧化及水热表面改性材料在医用性能上的优异表现，为其作为新一代的硬组织置换材料的表面改性提供理论参考和技术支撑。收起

关键词 : 纯钛材微弧氧化水热处理摩擦学性能生物相容性生物陶瓷膜层微观组织

3. 复合纳米薄膜制备及其摩擦学行为研究

[学位论文] 程广贵江苏大学 2010年博士导师: 丁建宁共146页

摘要 : 微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术的发展催生了许多新的科学问题，降低粘着力和摩擦力已成为微机械制作和使用过程中必须解决的问题，微构件表面改性和润滑是改善构件表面摩擦学性能、提高抗粘附性能、保持系统稳定的两个有效方法。近年来发展起来的沉积... 展开微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术的发展催生了许多新的科学问题，降低粘着力和摩擦力已成为微机械制作和使用过程中必须解决的问题，微构件表面改性和润滑是改善构件表面摩擦学性能、提高抗粘附性能、保持系统稳定的两个有效方法。近年来发展起来的沉积技术以及分子自组装技术为解决这些难题提供了有力的技术支撑。论文主要从材料表面改性研究着手，探索改善微构件之间的摩擦学性能的新方法，主要研究内容和成果包括以下几个方面：第一，创新地提出了一种三明治结构的复合纳米薄膜，并成功运用沉积设备以及分子自组装技术制备了该复合结构薄膜及对比组薄膜。选用两种偶联剂材料将弹性体材料通过化学键链接到单晶硅基底材料上，考察了不同基团、反应时间、反应温度对自组装薄膜的组成及表面质量的影响，确定了最佳自组装薄膜制备方法。分别采用电子回旋共振增强化学气相沉积(ECR-CVD)和磁过滤阴极真空电弧技术(FCVA)方法制备出类金刚石(DLC)薄膜。结果表明：在真空熔融状态220℃条件下制备的自组装弹性薄膜表面质量最好。第二，运用原子力显微镜(AFM)研究了薄膜的表面形貌，采用X射线光电子能谱仪(XPS)、拉曼光谱仪、接触角测定仪分析了薄膜的结构及其表面能。结果表明：FCVA方法制备的类金刚石薄膜DLC(F)含有更多的sp3键；偶联剂γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(A187)薄膜表面能比偶联剂γ-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)薄膜的要高，这提高了聚（苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯）类嵌段共聚物(SEBS)弹性体中马来酸酐与偶联剂A187中基团的反应效果。第三，运用摩擦磨损试验机(UMT)对弹性自组装薄膜(A187SEBS、APSSEBS)、硬质超薄DLC薄膜(DLC(F)、DLC(C))以及弹性自组装膜\DLC双层复合纳米薄膜(AI87DLC(F)、A187DLC(C)、APSDLC(F)、APSDLC(C))这三种类型薄膜进行了微观摩擦学行为研究。结果表明：单晶硅表面运用自组装和沉积技术进行改性修饰后可以显著改善其摩擦学性能，使摩擦系数由0.6降低到0.1附近；低转速条件下，单晶硅基底上的弹性自组装薄膜APSSEBS的承载能力较A187SEBS要差，而在低载、低转速条件下，两种自组装复合纳米薄膜的摩擦系数相当，都能稳定在较低的值；含DLC(F)的薄膜摩擦系数低于含DLC(C)的薄膜，同时可以承受更高的载荷。对比三种类型薄膜，对低载工况，A187DLC(F)复合纳米薄膜的摩擦系数最稳定，而对于高载工况，DLC(F)膜具有更好的摩擦学性能。第四，对制备的薄膜进行纳米力学性能测试，结果表明：由于薄膜厚度较小，随着载荷增加，尺寸效应的影响较明显。随着压入深度增加，自组装薄膜的硬度和弹性模量逐渐增加，硬质DLC薄膜的的硬度和弹性模量逐渐减小，复合纳米薄膜的硬度逐渐减小而弹性模量则先减小后增加。第五，推导了接触刚度与最大压入深度之间的线性关系表达式，并进行了实验验证；讨论了针尖形貌对测试结果的影响，推导了针尖曲率半径与测试误差之间的关系表达式，发现误差主要来源于非理想的探针针尖所导致的接触面积确定问题，针尖曲率半径越大，误差越大。第六，对三种类型的薄膜进行了划痕测试，获得了薄膜的临界载荷，结果表明：DLC(F)薄膜的临界载荷最高达到8000μN；A187DLC的临界载荷高于APSDLC的临界载荷。加载速率对薄膜的临界载荷测试影响不大，但是薄膜一旦失效，加载速率越慢，测得的侧向力越大。第七，对塑性和弹塑性材料进行了循环载荷接触研究，结果表明：低载时材料的硬度随循环次数增加而增加，对于高载，硬度呈减小趋势，并且塑性材料硬度的减小率略大于弹塑性材料。随着循环次数增加，两种材料的接触刚度保持稳定，塑性材料的弹性模量基本不变，而弹塑性材料的弹性模量逐渐减小。综合比较了三种类型薄膜的多种性能，表明本文提出的含有弹性体的复合纳米薄膜，在低载条件下具有优秀的摩擦学性能和力学性能，可以用于微机械设计中，为解决微构件之间的摩擦学问题提供了一种新的思路。本文在国家自然科学基金(No50475124)的资助下完成。收起

关键词 : 复合纳米薄膜分子自组装技术摩擦学行为力学性能表面改性

4. 基于新型微纳减反结构的硅基太阳能电池研究

[学位论文] 祝俊江苏大学 2014年博士导师: 丁建宁共141页

摘要 : 随着薄膜技术的进步和微纳制造技术的发展，可把薄膜技术、微纳制造技术与硅基太阳能电池结合，形成新型微纳结构的硅基薄膜太阳能电池。近年来，氢化纳米晶硅薄膜太阳能电池备受瞩目，逐渐成为研究的热点。通过控制工艺条件，可实现带隙大小调... 展开随着薄膜技术的进步和微纳制造技术的发展，可把薄膜技术、微纳制造技术与硅基太阳能电池结合，形成新型微纳结构的硅基薄膜太阳能电池。近年来，氢化纳米晶硅薄膜太阳能电池备受瞩目，逐渐成为研究的热点。通过控制工艺条件，可实现带隙大小调节，从而调控有效利用光谱的响应范围。论文提出利用纳米晶硅薄膜和设计微纳减反结构，研究新型微纳减反结构的硅基太阳能电池。通过大量的实验和仿真研究得到以下结论: 一、通过对纳米晶硅薄膜生长机理的研究，经过大量的纳米晶硅薄膜制备实验，初步得到了薄膜沉积时硅烷浓度、沉积速率、射频功率、直流偏压、衬底温度、反应室压强对所制备纳米晶硅薄膜晶粒的尺寸、以及薄膜光学带隙存在的内在关系;通过大量的掺杂实验，得到了本征纳米晶硅掺硼和掺磷时，射频功率、直流偏压、衬底温度、反应室压强等对生成P型纳米晶硅薄膜和N型纳米晶硅薄膜的性能影响;采用AMPS-1D软件对薄膜光学带隙、前端势垒高度ΦB0、界面层缺陷态、本征层厚度和本征层缺陷态密度进行了仿真，给出了相应的仿真参数，为高性能电池制备工艺的制定提供参考。二、从理论上阐述了微纳结构的减反效应，并建立了相关光学几何研究模型。采用OptiFDTD.V8.0软件对纳米线或纳米孔减反结构进行了仿真，给出了对应的纳米线或纳米孔的宽度、相邻的间距和深度等优化的结构参数，为制备纳米硅线减反层提供理论支撑;通过化学刻蚀的方法制备并表征了体硅纳米线，在采用飞秒激光烧蚀法纳米硅薄膜制备薄膜纳米线时，需控制飞秒激光的功率不能超过晶相和非晶相的等离子气化阈值，否则会出现烧蚀击穿现象。三、探明了纳米复合薄膜减反射的机理。纳米金属粒子对入射光线产生核外电子云，并发生振荡，产生局域表面等离子激元，等离子激元与光子相互作用，在适当条件下可以产生前散射，进而起到减反射的作用。四、制备出两种石墨烯复合薄膜。一是，在石墨烯薄膜上增加TiO2纳米颗粒涂层，形成复合薄膜，其既可以作为电极增加收集载流子能力，又可以作为减反层。二是，在石墨烯薄膜中添加纳米银颗粒，形成Ag/NPs/RGO复合薄膜，既可以作为电极，也可以作为减反层。通过对两种复合薄膜进行了性能表征，发现这两种电极具有优异的电学性能和光学性能，为制备微纳减反结构的纳米硅基电池提供依据。五、制备出两种新型微纳减反结构的硅基太阳能电池:硅纳米线微纳减反结构电池和基于石墨烯复合薄膜的纳米硅基渐变带隙电池。其中，石墨烯复合薄膜的纳米硅基渐变带隙电池，因采用两种不同结构的石墨烯复合薄膜作为减反层，从而形成了不同结构的纳米硅基渐变带隙薄膜电池:采用二氧化钛为减反层的渐变带隙电池和采用石墨烯中沉积纳米银颗粒为减反层的渐变带隙电池。以二氧化钛复合薄膜为减反层的电池效率为4.97％左右，以纳米银颗粒复合薄膜为减反层的电池效率为4.59％，高于没有采用减反层的“基体”电池效率2.82％。分析了影响这些电池效率的主要因素:在沉积纳米硅薄膜时，薄膜沉积的表面不是很平整，导致在涂石墨烯复合薄膜时，难以做到石墨烯与硅薄膜表面很好结合，影响了载流子的收集，降低了短路电流和开路电压，其填充因子也受到很大制约。此外，还有石墨烯在提拉的过程中，薄膜厚度不均匀也会影响入射光线，进而影响吸收有效的光子数量。在硅纳米线微纳减反电池中，经检测有减反层的电池性能明显优于没有减反层的电池性能。收起

关键词 : 硅基太阳能电池微纳减反结构仿真实验纳米晶硅薄膜生长机理减反效应

5. 纳米线太阳能电池结构、制造工艺及性能研究

[学位论文] 王秀琴江苏大学 2016年博士导师: 丁建宁共133页

摘要 : 经过半个多世纪的研究和开发，硅基太阳能电池在结构设计和效率方面已取得了重大的进步。如何进一步提高其转换效率和降低成本，始终是该领域的研究热点。低维纳米材料如纳米线由于具有比表面积大和量子效应等特点，表现出优异的物理和化学性能，在高... 展开经过半个多世纪的研究和开发，硅基太阳能电池在结构设计和效率方面已取得了重大的进步。如何进一步提高其转换效率和降低成本，始终是该领域的研究热点。低维纳米材料如纳米线由于具有比表面积大和量子效应等特点，表现出优异的物理和化学性能，在高品质晶体管、超高灵敏度的化学/医学传感器、高性价比的光伏器件、低成本的热电器件和高容量的锂离子蓄电池等方面研究中具有广泛的应用前景。本文分别制备了硅基纳米线阵列(Ag栅/AZO/n-Si:H/α-Si:H/c-Si(P)NW/Al)和ZnO基纳米线阵列(Ag/n-Si:H/i-Si:H/p-Si:H/ZnO nanowire array/FTO/glass)两种太阳能电池，并系统研究了其相关的科学问题。主要研究内容和创新成果如下：一、利用金属辅助催化无电刻蚀的方法（MCEE），在单晶硅片表面制备了大面积的硅纳米线阵列，研究了HF-AgNO3刻蚀体系对硅纳米线阵列形貌和反射率的影响。随着刻蚀时间的增加，纳米线的长度呈先慢后快的非线性增加，直径变小，从而导致断裂和顶部汇聚的现象的产生。硅纳米线阵列具有很好的陷光效应，当纳米线长度为1.6μm时，在可见光范围内的反射率低至2.5%。利用水热法制备了ZnO纳米线阵列，籽晶层的厚度和表面性质对ZnO纳米线阵列的形貌有着重要的影响。ZnO纳米线的长度随着生长时间的增加而增加，并且纳米线阵列的垂直性变好。二、利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备对纳米线进行硅薄膜包覆，并借助FLUENT软件模拟研究了硅薄膜的立体生长特性。研究表明，纳米线顶部的气体流速大于纳米线底部的流速，说明纳米线顶部反应基团供应量比纳米线底部的大，从而导致纳米线顶部硅薄膜的厚度大于底部的厚度，而且纳米线越长和硅薄膜沉积速率越快，硅薄膜包覆的不均性越明显。三、运用第一性原理，研究了硼(B)掺杂对ZnO性能的影响，并利用B2H6等离子体处理实现ZnO纳米线阵列的B掺杂，研究了B2H6含量和射频功率对ZnO纳米线阵列性能的影响。结果表明，B掺杂ZnO后在导带底形成浅施主能级，使迁移率降低，载流子浓度增加，在可见光范围内吸收强度增加。四、利用非晶硅（α-Si:H）层钝化硅纳米线阵列，研究了α-Si:H厚度对硅基纳米线太阳能电池性能的影响，发现电池的开路电压和填充因子随着α-Si:H层厚度的增加而增加，但厚度过大会影响电池效率；利用电子对超薄Al2O3具有隧穿效应，采用原子层沉积系统制备超薄Al2O3层钝化硅纳米线太阳能电池中的N层硅薄膜，研究了Al2O3层厚度对电池性能的影响，获得了Al2O3层厚度与钝化效果与隧穿电流变化之间的关系。五、利用PECVD制备了n-Si:H薄膜，研究了制备工艺对薄膜和硅基纳米线太阳能电池性能的影响。结果表明，n-Si:H沉积功率对硅纳米线电池的开路电压影响较小，但是对短路电流密度影响较大，电池的效率随着射频功率增加而提高，但过高功率会降低薄膜对纳米线的包覆均匀性，导致电池效率降低。同时电池效率随着n-Si:H薄膜的厚度增加而降低。六、以ZnO纳米线阵列作为陷光结构和电荷的传输层，制备了ZnO基纳米线阵列Ag/n-Si:H/i-Si:H/p-Si:H/ZnO nanowire array/FTO/glass太阳能电池，研究了ZnO纳米线长度、i-Si:H层厚度和硼掺杂ZnO对电池性能的影响。结果表明，ZnO掺杂B后，电池的性能得到明显的改善，电池的转换效率达到5.19%。收起

关键词 : 太阳能电池硅基纳米线阵列氧化锌基纳米线阵列制备工艺立体生长特性光电转化效率

6. 基于并置节点表面阻抗边界条件的改进FDTD方法研究

[学位论文] 施丽娟江苏大学 2014年博士导师: 丁建宁共129页

摘要 : 时域有限差分(FDTD)方法作为一种被广泛应用的数值计算方法，由于能够获得任意时刻电磁场分量在空间各个位置处的数值，而且对目标几何形状、本构参数和激励源等没有特定地限制，因而可以有效分析各种复杂介质目标的电磁波传播及散射等问题。当我们利... 展开时域有限差分(FDTD)方法作为一种被广泛应用的数值计算方法，由于能够获得任意时刻电磁场分量在空间各个位置处的数值，而且对目标几何形状、本构参数和激励源等没有特定地限制，因而可以有效分析各种复杂介质目标的电磁波传播及散射等问题。当我们利用常规FDTD方法分析薄涂层覆盖大尺寸目标的电磁问题时，不仅目标复杂的形体结构会增加计算的难度，而且薄涂层的厚度也会对数值计算产生明显的限制作用。表面阻抗边界条件(SIBC)的引入使我们可以将目标直接从计算区域中移除，从而避开研究其内部复杂的电磁问题，只需要在材料体外部进行常规的粗网格剖分，很大程度上节省了内存需求和计算时间。本文基于并置节点一阶表面阻抗边界条件，分别对有耗介质和非磁化等离子体薄涂层涂覆导体目标的时域有限差分模型展开系统深入地研究;同时对三维多粒子等离子体的电磁散射特性以及对截断三维各向异性介质的近似完全匹配层(NPML)吸收边界条件进行了相关研究。所开展的工作及取得的创新性结果如下: 提出了一维情况下垂直极化(TE)和平行极化(TM)电磁波斜入射有耗介质薄层涂覆导体目标的并置节点SIBCs-FDTD方法。通过利用并置节点原理，有效实现了涂覆导体界面上的切向电场分量和切向磁场分量在相同节点处的并置排列结构。数值结果表明该方法与常规的利用界面外半个网格距离处和半个时间步之差的磁场分量近似等于界面上的切向磁场分量的SIBCs-FDTD方法相比，有效提高了的稳定性和计算精度。将并置节点SIBCs-FDTD方法推广应用于非磁化等离子体涂覆三维金属立方体的模型。通过对表面阻抗公式中的正切函数进行连续有理近似，并运用拉普拉斯逆变换，将表面阻抗在频域中的表达式变换到时域;利用分段线性递归卷积(PLRC)方法有效解决了公式中的卷积，然后将时域表达式进行差分离散，推导出相应的三维并置节点SIBCs-FDTD迭代公式。数值验证了一维情况下非磁化等离子体涂覆导体目标对斜入射平行极化和垂直极化电磁波的反射，对反射系数的大小和相位进行了误差分析，并验证了该算法的收敛性。最后数值模拟了非磁化等离子体涂覆金属立方体的后向雷达散射截面(RCS)。该算法有效解决了常规FDTD方法在处理等离子体这种复杂介质薄涂层时因网格剖分过细而导致计算所需内存和时间急剧增大的问题。运用电流密度拉普拉斯变换时域有限差分(CDLT-FDTD)方法研究了三维多粒子等离子体的电磁散射特性。在验证算法正确性的基础之上，初步分析了等离子体中电子、正离子、负离子三种粒子对等离子体球后向RCS的影响。基于近似完全匹配层(NPML)原理，提出了一种截断三维各向异性介质的时域有限差分(FDTD)吸收边界条件(ABC)。通过运用NPML理论中复坐标拉伸方法，并结合空间插值方法推导出具体的吸收边界条件公式。相关公式由于具有易于在FDTD方法中实现的优点，并且由于不需要引入额外的中间变量，运用NPML吸收边界条件能够较大程度降低编程的复杂度。利用该吸收边界计算了电偶极子的辐射场以及对应的反射系数，并通过与参考解对比验证了算法的正确性。同时数值模拟了时谐场的相位分布，计算结果进一步表明NPML吸收边界可以有效地吸收各向异性介质中的电磁波。综上所述，本文提出的改进FDTD方法，为复杂目标的电磁问题提供了有力的解决途径，同时也使得FDTD方法本身更加成熟和完善。收起

关键词 : 时域有限差分方法并置节点表面阻抗边界条件近似完全匹配层等离子体薄涂层涂覆导体各向异性介质电磁散射

7. 铁电体材料电热效应的调控

[学位论文] 邱建华江苏大学 2015年博士导师: 丁建宁共123页

摘要 : 铁电体材料的本质特征在于某一温度范围内自发极化的存在，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。因此狭义地讲，只有基于极化反转的应用才真正属于铁电性的应用。过去几十年内，由于铁电体材料具有非常好的介电性、压电... 展开铁电体材料的本质特征在于某一温度范围内自发极化的存在，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。因此狭义地讲，只有基于极化反转的应用才真正属于铁电性的应用。过去几十年内，由于铁电体材料具有非常好的介电性、压电性和热释电性等多种不同的性质，以及其在动力学随机存储器、传感器、电容器和换能器等方面具有广阔的应用前景而吸引着越来越多的关注。实际上，作为热释电效应的逆效应，可以预见铁电体材料具有良好的电热效应。电热效应是指绝热条件下在铁电材料上增加或减小一外电场能引起材料温度的变化。因此，电热效应在制冷设备方面具有广泛的应用前景，开展对铁电材料电热效应的研究具有非常重要的意义。目前，铁电体材料只有在居里温度附近较小的温度范围内才具有巨电热效应，且其居里温度一般远高于室温，这极大地限制了其室温制冷应用。因此，本论文旨在调控铁电体材料的电热效应，以此寻找居里温度在室温附近，且具有宽工作温度范围的巨电热效应材料。主要研究内容和创新成果包括以下几个方面: 一、运用唯象朗道—德文希尔理论，发展和建立了钛酸铅/钛酸锶双层薄膜和钛酸锶铅薄膜的热力学理论模型，研究了不同薄膜生长取向对钛酸铅/钛酸锶双层薄膜电热效应的调控，以及锶含量对钛酸锶铅薄膜电热效应的调控。传统的铁电钛酸铅材料具有良好的热释电性质，但是其居里温度远高于室温，因此，我们利用钛酸锶材料低居里温度的特点，与钛酸铅形成复合材料，达到降低钛酸铅居里温度并提高其电热效应的目的。首先研究了室温下钛酸铅/钛酸锶双层薄膜电热效应的调控，这是因为双层薄膜比各自单相薄膜具有更好的铁电性质。结果表明钛酸锶的厚度比在0.3-0.4左右时，双层薄膜具有最大的电热效应，而且(111)择优生长取向的双层薄膜比(110)和(001)取向薄膜的电热效应大。虽然，室温下钛酸铅/钛酸锶双层薄膜的电热效应比纯钛酸铅薄膜的大，但是其绝热温度改变值仍然较小。因此，我们又研究了不同锶含量对钛酸锶铅薄膜电热效应的调控。结果表明锶含量对薄膜电热效应的影响较大，通过合理控制锶含量以及薄膜与基底之间的失配应变，可以调控钛酸锶铅薄膜的室温电热效应。二、基于传统铁电体材料的唯象朗道—德文希尔理论，发展和建立了铁电聚合物薄膜的热力学理论模型，研究了失配应变和外部应力对聚合物薄膜电热效应的影响，获得了聚合物薄膜电热效应的调控机理。选取铁电聚合物薄膜为研究对象，利用其居里温度接近室温的特点，我们首先研究了薄膜与衬底之间的失配应变对P(VDF-TrFE)(70/30)和P(VDF-TrFE)(65/35)聚合物薄膜电热效应的影响。结果表明压应变能减小聚合物薄膜的居里温度，这与传统铁电体材料的情形相反，原因是由于聚合物分子链的排列使得压应变能减小其铁电极化强度。而且聚合物薄膜的电热效应几乎没有改变，只是其工作温度（电热效应最大值所对应的温度）范围较窄。因此，利用薄膜与衬底之间的失配应变是一种有效调控薄膜电热效应的手段。但是仅仅依靠失配应变的作用还不能使其工作温度达到室温，另一个有效的方法是给薄膜施加外部应力。结果表明张应力能极大地降低聚合物薄膜的居里温度，使其达到室温，但是又在一定程度上会减小聚合物薄膜的电热效应。因此，如果选取合适的失配应变和外部应力，也能使聚合物薄膜在室温条件下实现22 K的绝热温度变化，这将能应用于实际的室温制冷。三、基于唯象朗道—德文希尔理论，结合铌镁酸铅-钛酸铅单晶的相变性质，首次建立了铌镁酸铅-钛酸铅单晶的热力学理论模型，解释了不同钛酸铅成份单晶的相变、铁电、介电、压电、电光和电热性质。近来，实验发现弛豫性铁电体材料铌镁酸铅-钛酸铅单晶具有大的电热效应，其居里温度接近室温，而且最大的电热效应在很宽温度范围内都能实现，这将为实际的制冷应用提供潜力。但是，铌镁酸铅-钛酸铅的物理性质依赖于钛酸铅的含量，并且不同钛酸铅含量的铌镁酸铅-钛酸铅单晶具有复杂的相变性质，目前还没有一个理论能完整地解释它。因此，基于唯象朗道—德文希尔理论，结合铌镁酸铅-钛酸铅单晶的相变性质，我们首次建立了铌镁酸铅-钛酸铅单晶的热力学理论模型，通过拟合实验结果得到模型参数，利用热力学计算解释了铌镁酸铅-钛酸铅单晶的“温度-成份”相图，以及不同钛酸铅含量的铌镁酸铅-钛酸铅单晶的铁电、介电、压电、电光性质。但是该理论模型也有缺点，它不能用来解释准同型相界附近铌镁酸铅-钛酸铅单晶的压电性质，这可能是由于在准同型相界附近的材料具有多晶结构或存在两相共存情形。基于此理论模型，我们研究了不同钛酸铅含量的铌镁酸铅-钛酸铅单晶的电热效应。在钛酸铅含量为31％的铌镁酸铅-钛酸铅单晶中发现了负电热效应，这可能是由于电场诱导的极化纳米畴导致沿电场方向的极化强度随温度的升高而增大，这与先前的实验测量值和理论计算结果相一致。并且电场的增加会导致单晶在很宽的温度范围内具有大的电热效应，这与实验结果很好的吻合。因此，该理论模型能够被用来预测和解释相关的实验结果，能为实验工作提供必要的理论基础。四、依据唯象朗道—德文希尔理论，考虑多畴薄膜的力学和电学边界条件，建立了多畴钛酸钡薄膜的热力学理论模型，研究了不同电畴结构与薄膜电热效应的关联性，获得了失配应变对多畴薄膜电热效应的调控机理。实验和相场模拟方法均揭示材料内部电畴结构可以调控其电热效应，因此，我们选取传统铁电体材料钛酸钡为研究对象，建立了多畴钛酸钡薄膜的热力学理论模型，探讨了不同电畴结构对钛酸钡薄膜电热效应的影响。结果表明多畴结构的钛酸钡薄膜比单畴结构的电热效应大，并且ca1/ca2/ca1/ca2多畴态的钛酸钡薄膜具有较大的室温电热效应。收起

关键词 : 制冷工程铁电体材料电热效应调控机制

8. 屈曲和异构碳纳米管的若干力学和电学性质研究

[学位论文] 坎标江苏大学 2010年博士导师: 丁建宁共101页

摘要 : 独特的结构使碳纳米管成为一种具备众多优异性能的奇妙材料。然而,在碳纳米管的生长和利用过程中,屈曲和异构现象难以避免。本文围绕屈曲与异构碳纳米管的力学和电学特性开展了理论研究,并对其可能的应用作了探索。本文提出了基于非线性弹簧模型的原子... 展开独特的结构使碳纳米管成为一种具备众多优异性能的奇妙材料。然而,在碳纳米管的生长和利用过程中,屈曲和异构现象难以避免。本文围绕屈曲与异构碳纳米管的力学和电学特性开展了理论研究,并对其可能的应用作了探索。本文提出了基于非线性弹簧模型的原子尺度有限元方法。采用该方法对单壁碳纳米管的杨氏模量、剪切模量,以及固有频率等基本力学参数进行了计算。讨论了单壁碳纳米管在轴向压缩、扭转以及弯曲三种简单加载方式下的屈曲形貌及其能量的变化规律。运用分子动力学方法对7-5-5-7缺陷的碳纳米管轴向压缩屈曲特性做了研究,讨论了缺陷局部结构的重构,直径的大小,以及缺陷取向角度对临界压缩应变量和初始屈曲形成位置的影响规律,结果显示该缺陷会使碳纳米管的临界屈曲应变量相对于无缺陷碳纳米管降低11.4％。研究并比较了不同加载方式下碳纳米管屈曲过程中的固有频率和层间范德华势能的不同变化规律,分析了温度和层间距离的变化对双壁碳纳米管层间范德华势能的影响规律。基于泛函密度理论,研究了电场作用下碳纳米管及其分子结的力学变形与电子结构的变化规律。从理论上预测了横向电场中碳纳米管截面的椭圆形变形,指出了碳纳米管的这种变形主要是由二面角的改变来完成的,并进一步研究了电场强度、方向、碳纳米管直径大小等因素对这种变形的影响规律。比较了金属一半导体的碳纳米管分子结在不同方向的轴向电场中电子结构变化的异同,讨论了在横向电场作用下其电子结构的变化规律。对弯曲屈曲的碳纳米管用于管内物质传输的可行性做了理论研究,结果发现管内物质与屈曲碳纳米管之间的范德华力可以用于原子、小分子,以及原子团的传输,讨论了温度以及被传输物质的质量对传输效果的影响规律。提出了利用异构碳纳米管设计纳米传动机械的构想。设计了由“T”型、“I”型,以及“Q”型碳纳米管所构建的纳米尺度转动-平动的传动机构,模拟结果显示该机构的工作温度可低至10 K而高至1000 K,并且在109 rps的转速下仍然可以平稳运转。收起

关键词 : 异构碳纳米管屈曲结构分子动力学有限元建模泛函密度理论电学性质

9. 小学英语对话教学中的输入与输出——课堂实录研究

[学位论文] 杨筱艳南京师范大学 2010年硕士导师: 丁建宁共99页

摘要 : 对话教学研究是小学英语教学研究中的一个重要命题,本文拟从输入和输出的角度,分析其得与失。本研究选取三十篇小学英语对话教学案例,从输入、输出、反馈与评价的角度,择其重要片断或完整过程进行实证性分析,围绕原则、方式、障碍三个维度展开,... 展开

关键词 : 小学英语对话教学语言输入课堂教学

10. 基于可拉伸柔性基底的互连导线设计及性能分析

[学位论文] 韩旭江苏大学 2021年硕士导师: 丁建宁共98页

摘要 : 柔性电子作为一种新兴电子技术，对产品开发具有革命性意义，受到了学术界、工业界和政府的高度关注。互连导线作为柔性电子器件的基本组成部分，其可延展性是判断器件整体拉伸性能的重要指标。因此，本文基于有限元思想对导线进行优化设计及性能分析... 展开柔性电子作为一种新兴电子技术，对产品开发具有革命性意义，受到了学术界、工业界和政府的高度关注。互连导线作为柔性电子器件的基本组成部分，其可延展性是判断器件整体拉伸性能的重要指标。因此，本文基于有限元思想对导线进行优化设计及性能分析，同时创新性地采用模板印刷法制备出可拉伸互连导线，将其应用在自供能触觉传感器上。主要内容如下：（1）以成本低、导电性好的铜作为互连导线材料，柔性基底则是选用拉伸性能优异的Ecoflex00-30硅橡胶。通过单轴拉伸测试，确定Ogden为硅橡胶本构模型，得出材料参数如下：μ1=1.12e?2、α1=2.82、μ2=3.36e?8、α2=11、μз=2.99e?2、αз=?3.11。（2）设计了正弦形、矩形、U形、马蹄形四种结构的互连导线，首先通过ABAQUS模拟导线在多个拉伸率下（2%-5%）的应力分布，结果表明马蹄形的最大应力值均为最低。然后，采用模板印刷法制备出四种互连导线，并对其进行拉伸性能测试，观察到4%拉伸率下正弦形、矩形、U形三种结构的应力集中区域均呈现出不同程度的断裂，而马蹄形表面完整，未发生结构性破坏；随后对其进行电学性能测试，以四种结构在不同应变下出现电阻激增现象的节点作为判断依据，得出拉伸率分别为3%、4%、6%和9%。从模拟和实验两方面综合得出，马蹄形互连导线相对于其他三种结构来说具有最佳拉伸性能。（3）模拟研究马蹄形互连导线和柔性基底的形状、材料对导线承受预拉伸能力的影响。结果表明导线承受预拉伸的能力与半径、角度、材料的弹性模量呈正相关，与导线宽度、厚度呈负相关。当柔性基底的厚度远大于互连导线厚度时，导线承受预拉伸的能力不受影响。此外，基底弹性模量越小，导线所能承受的最大预拉伸量越大。综合仿真结果发现，在柔性基底中引入14%的拉伸应变，对提高导线拉伸性方面效果最佳。（4）分别研究了预拉伸、烘干时间、马蹄形互连导线和柔性基底的形状、材料对导线拉伸性能的影响。结果表明：烘干时间（15-60min）能够有效提高导线的拉伸率（4%-9%）。对基底施加14%拉伸应变后，60min烘干时间下互连导线的拉伸率从9%增加到20%。此外，马蹄形互连导线和柔性基底关键参数对导线拉伸率的影响与其对导线承受预拉伸能力的影响相同。（5）测试了马蹄形互连导线在拉伸、弯折、扭曲状态下的电学性能，发现其具有良好的抗干扰性。使用拉伸试验机对马蹄形互连导线进行疲劳测试，结果表明其抗拉伸性良好。将导线与基于摩擦起电原理的自供能触觉传感器相结合，在不同弯折角度下，传感器的输出电压稳定在13.0V左右。实验结果表明，马蹄形互连导线能够有效减小传感器形变对输出信号的影响，提高传感器的稳定性。收起

关键词 : 自供能触觉传感器柔性基底互连导线拉伸性能模板印刷法