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电场对graphene/InSe范德瓦耳斯异质结肖特基势垒的调控

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:半导体与金属接触是制作纳电子和光电子器件时非常重要的问题, 接触类型对器件的功能实现和性能影响很大. 为了制备高性能多功能化器件, 就必须对界面处的势垒高度和接触类型进行调控. 采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了外电场作用下graphene/InSe范德瓦耳斯异质结的电子结构. 计算结果表明异质结中的graphene和InSe保留了各自的本征电子性质, 在界面处形成了欧姆接触. 外电场可以有效调控graphene/InSe异质结中的肖特基势垒, 不但可以调控肖特基势垒的高度, 而且可以调控界面接触类型. 外电场还可以有效调控graphene和InSe界面电荷转移的数量和方向.
关键词: 肖特基势垒/
电场/
graphene/InSe范德瓦耳斯异质结

English Abstract


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自从石墨烯2004年被发现以来, 由于其独特的力学、电子、光学和输运性质以及在下一代高性能纳电子和光电子器件中的潜在应用引起了科学界的极大兴趣[1-4]. 然而石墨烯为半金属, 带隙宽度为零, 这限制了其在逻辑电路领域的应用[5]. 为了拓展石墨烯的应用范围, 必须改变石墨烯的半金属性质, 使得其带隙不再为零. 为此, 人们采取了多种方法来调控石墨烯的带隙, 比如表面吸附[6]、尺寸效应[7]和构建范德瓦耳斯异质结[8-10].
在这些调控石墨烯带隙的方法中, 利用不同的二维材料构建范德瓦耳斯异质结这一方法受到了人们的广泛关注. 尤其是石墨烯基范德瓦耳斯异质结, 如graphene/C3N4[11-13], graphene/BN[14-17]和graphene/MoS2[18-21]等更是成为近期的研究热点. 这些基于不同二维材料构建的范德瓦耳斯异质结表现出许多单个材料所不具有的新奇特性. 由于二维材料表面没有悬挂键以及异质结中微弱的范德瓦耳斯作用, 二维材料在形成异质结后依然保持了其本征性质. 石墨烯与二维半导体接触构成范德瓦耳斯异质结时, 在异质结的界面会形成肖特基接触或欧姆接触. 如果接触处电压和电流的关系为非线性, 接触电阻和势垒比较大, 表现出类似于p-n结的电压-电流关系, 则被称为肖特基接触. 如果接触处电压和电流的关系为线性, 接触电阻和势垒都很小, 则被称为欧姆接触. 由肖特基-莫特模型[22]可知, n型肖特基势垒(ΦBn)为二维半导体的导带底(EC)与异质结费米能级(EF)的差值, 即ΦBn = ECEF; p型肖特基势垒(ΦBp)为EF与二维半导体的价带顶(EV)的差值, 即ΦBp = EFEV; 并且两种肖特基势垒之和近似等于二维半导体的带隙宽度. 若ΦBn < ΦBp, 即费米能级离导带底比价带顶近时, 异质结的界面为n型肖特基接触; 当ΦBn减小至0或进一步变为负值时, 则n型肖特基接触转变为n型欧姆接触. 若ΦBp < ΦBn, 即费米能级离价带顶比导带底近时, 异质结的界面为p型肖特基接触; 当ΦBp减小至0或进一步变为负值时, 则p型肖特基接触转变为p型欧姆接触. 范德瓦耳斯异质结界面的接触类型对石墨烯基纳电子和光电子器件的性能有重要影响, 因此深入理解界面的接触类型对石墨烯基范德瓦耳斯异质结的应用至关重要.
最近, 一种新型的二维金属硫化物材料 —InSe[23-25]引起了人们的极大兴趣. InSe的体材料是带隙宽度为1.26 eV的半导体, 随着层数的减少其带隙宽度也随之减小, 并且由体材料时的直接带隙半导体转变为单层时的间接带隙半导体, 二维InSe的表面为化学惰性表面, 在室温下可稳定存在[26-28]. 研究表明, 在室温下二维InSe表现出高载流子迁移率(103 cm2·V–1·s–1), InSe基场效应管的电流开关比高达108[29,30]. Lei等[27]研究报道了基于二维InSe制成的薄膜光电探测器显示出光响应率高(34.7 mA/V), 光谱范围宽(从紫外到近红外), 响应速度快的特点. 为了拓展二维InSe的应用范围, 人们将二维InSe与其他二维材料进行堆垛以构建范德瓦耳斯异质结. BP/InSe范德瓦耳斯异质结中的杂质能级能够被外加电场有效调控[31], 而p-GaSe/n-InSe异质结的整流比可达到105[32]. 上面的研究结果表明, 二维InSe是制造纳电子和光电子器件的理想材料, graphene/InSe异质结在实验上已经成功制备出来[33], 然而迄今为止还没有发现理论上关于graphene/InSe异质结电子性质和肖特基接触的研究报道. 因此, 有必要从理论上对graphene/InSe异质结的电子性质和肖特基势垒进行深入研究, 揭示graphene/InSe异质结的内在物理机理, 以达到优化器件性能的目的. 为此, 本文通过第一性原理计算系统研究了graphene/InSe异质结的电子性质和肖特基势垒, 并在此基础上探讨了外加电场对graphene/InSe异质结的电子性质和肖特基势垒的调控.
本文采用基于密度泛函理论(DFT)的VASP (Vienna ab initio simulation package)软件包[34]进行晶体结构优化和电子结构计算. 采用广义梯度近似的Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) 泛函[35]来描述电子交换以及关联作用. 计算过程中, 离子实和价电子之间的相互作用通过投影缀加平面波(projector-augmented wave)方法[36]进行描述. 用于电子波函数的平面波扩展的能量截断值设置为500 eV. 能量收敛标准为1 × 10–5 eV/atom, 力的收敛判据为每个原子上的Hellmann-Feynman 力小于0.01 eV/ ?. 布里渊区取样采用Monkhorst-Pack方法产生的9 × 9 × 1 k点网格处理几何优化, 而静态计算则采用较为密集的15 × 15 × 1 k点网格. 为了避免z方向相邻两个薄层的相互影响, 选取了超过20 ?的真空层来消除影响. 计算时采用DFT-D3方法[37], 考虑了层间的范德瓦耳斯作用. 本文所采用的计算方法已经成功地揭示了graphene/MoS2异质结[38]的电子、弹性和振动性质, 采用该方法计算了graphene/MoS2异质结的能带结构, 并与文献[38]中graphene/MoS2异质结的能带结构进行了对比, 图1给出了本文以及文献[38]计算的能带结构. 由图1可以看出我们计算的能带结构与文献[38]相符, 这就表明该方法及其边界条件的设置是合理的, 可以用来解决目前的问题.
图 1 (a) 本文计算得到的graphene/MoS2异质结的能带结构图; (b) 文献[38]计算得到的graphene/MoS2异质结的能带结构图
Figure1. (a) Band structure of the graphene/MoS2 heterostructure calculated by this paper; (b) the band structure of the graphene/MoS2 heterostructure calculated by Ref. [38].

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3.1.Graphene/InSe异质结的几何结构
-->为了能够更好地构建graphene/InSe异质结, 首先计算了graphene和InSe单层的结构参数, graphene和InSe两者都为六角晶格结构, 优化后的graphene和InSe的晶格常数分别为2.46 ?和4.09 ?, 与以前的研究结果相符合[39,40]. 为了使异质结的晶格失配最小, 采用${\sqrt 3}\! \times \! {\sqrt 3 } \! \times \! 1$ 的graphene晶胞和1 × 1 × 1的InSe晶胞构建异质结, 二者的失配度为4.2%. 图2 为graphene/InSe异质结优化后的顶视图和侧视图. 计算结果表明优化后graphene/InSe异质结中graphene和InSe单层的层间距为3.51 ?, 此间距远大于C原子和Se原子的共价半径之和, 与graphene/MoS2[18], graphene/WSe2[41]等范德瓦耳斯异质结的层间距接近, 这就表明graphene与InSe之间为微弱的范德瓦耳斯作用. 为了表征graphene/InSe异质结的稳定性, 计算了异质结的束缚能, 表达式为Eb = (EheteroEgrapheneEInSe)/N, 其中Ehetero, EgrapheneEInSe分别为graphene/InSe异质结、graphene和单层InSe的总能, N = 6为异质结超原胞中包含的C原子数. 计算结果表明, graphene/InSe异质结的束缚能为–106.4 meV, 束缚能为负意味着异质结可稳定存在, 束缚能的大小与graphene/MoS2[18], graphene/WSe2[41]等范德瓦耳斯异质结的束缚能比较接近, 再次验证了异质结中graphene和InSe之间为微弱的范德瓦耳斯作用.
图 2 (a) Graphene/InSe异质结的顶视图; (b) graphene/InSe异质结的顶视图; 灰色、橙色和棕色小球分别表示碳原子、硒原子和铟原子
Figure2. Top view (a) and side view (b) of the graphene/InSe heterostructures. The gray, orange and brown balls are for C, Se and In atoms, respectively.

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3.2.Graphene/InSe异质结的电子结构
-->为了系统研究graphene/InSe异质结的电子性质, 图3给出了graphene/InSe异质结的投影能带结构图、graphene的能带结构图和单层InSe的能带结构图. 由图3(b)可以看出, graphene为零带隙, 费米能级恰好穿过高对称的狄拉克点. 与通常graphene的狄拉克点位于K点不同, 图3(b)中的狄拉克点是位于Γ点的, 对于$\sqrt 3 $ × $\sqrt 3 $ × 1的graphene晶胞, 晶胞的扩大将导致能带发生折叠, 这使得K点与Γ点重合, 从而导致graphene的狄拉克点位于Γ点. 从图3(c)可以看出, 单层的InSe为间接带隙半导体, 导带底位于Γ点, 价带顶则位于K点与Γ点之间, 带隙宽度为1.55 eV. 将graphene/InSe异质结的能带结构与graphene和单层InSe的能带结构进行比较后发现, graphene/ InSe异质结的能带基本上就是组成异质结的graphene和单层InSe能带的简单迭加, 组成异质结的graphene和单层InSe很大程度上保留了各自独立的电子结构, 两者的能带形状几乎没有发生改变. Graphene依旧表现出半金属特性而单层InSe则仍为间接带隙. 这进一步印证了异质结中graphene和InSe之间为微弱的范德瓦耳斯作用. 组成异质结前, graphene的狄拉克点位于费米能级处, 形成异质结后, 费米能级移动到狄拉克点的下方, 这使得graphene层变为p型掺杂, 费米能级相对狄拉克点下移表明在形成graphene/InSe异质结的过程中graphene层失去了电子. 图3(c)显示单层InSe为p型半导体, 形成异质结后由图3(a)可以看出费米能级穿过了单层InSe的导带, 费米能级位于单层InSe导带底的上方, 电子由graphene层转移到了InSe层, 并最终在异质结中形成了内建电场, 方向由graphene指向InSe. Graphene/InSe是典型的金属-半导体异质结, 从半导体器件应用的观点来看, graphene可作为金属电极而单层InSe则作为沟道材料, 由肖特基-莫特模型[22]可知, n型肖特基势垒ΦBn = ECEF, EC为单层InSe的导带底, EF为graphene/InSe异质结的费米能级, 由图3(a)得出ΦBn = –0.05 eV, ΦBn < 0意味着在graphene和InSe界面形成了n型欧姆接触.
图 3 (a) Graphene/InSe异质结的投影能带结构图, 红色线条表示graphene的能带, 蓝色线条表示InSe的能带; (b) graphene的能带结构图; (c)单层InSe的能带结构图; 费米能级设为零点
Figure3. (a) Projected band structure of the graphene/InSe heterostructure, where the red and blue lines represent for the energy band of graphene and InSe, respectively; (b) the band structure of graphene; (c) the band structure of monolayer InSe. The Fermi level is set to zero.

由上面的讨论可知, graphene和InSe在形成异质结的过程中伴随着电荷转移, 为了深入理解graphene层和InSe层间的电荷转移机理, 计算了graphene/InSe异质结沿z方向的平面平均差分电荷密度. 平面平均差分电荷密度由下式给出:
$\begin{split}\;&\Delta \rho (z) = \int {{\rho _{{\rm{graphene/InSe}}}}(x,y,z){\rm{d}}x{\rm{d}}y }\\ & ~~- \int {{\rho _{{\rm{graphene}}}}(x,y,z){\rm{d}}x{\rm{d}}y } -\int {{\rho _{{\rm{InSe}}}}} (x,y,z){\rm{d}}x{\rm{d}}y,\end{split}$
${\rho _{{\rm{graphene/InSe}}}}$(x, y, z), ${\rho _{{\rm{graphene}}}}$(x, y, z)和${\rho _{{\rm{InSe}}}}$(x, y, z)分别表示graphene/InSe异质结、graphene和单层InSe在(x, y, z)点的电荷密度. 因此图4中的正值表示电荷增加, 负值表示电荷减少. 由图4可以看出, graphene和InSe形成异质结后graphene层的电子减少, InSe层的电子增加, 这就表明电子是由graphene层转移到了InSe层, 而空穴则由InSe层转移到了graphene层. 电荷在graphene/InSe异质结的界面进行了重新分布, 电荷的重新分布导致了界面附近电子-空穴对和内建电场的产生.
图 4 Graphene/InSe异质结的平面平均差分电荷密度图, 图中的竖直黑色虚线表示graphene层和InSe层的分界线
Figure4. Plane-averaged charge density difference of the graphene/InSe heterostructure. The black vertical dashed line denotes the intermediate position of graphene and InSe.

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3.3.外加电场对graphene/InSe异质结电子结构的调控
-->Graphene/InSe异质结在纳电子器件如场效应管领域有潜在的应用, 当基于graphene/InSe异质结的场效应管工作时, graphene/InSe就处于外加电场中, 外加电场对graphene/InSe异质结电子性质的影响至关重要. 因此本文研究了外加电场对graphene/InSe异质结电子结构的调控, 外加电场的正方向由graphene指向InSe, 与内建电场的方向相同. 图5给出了施加不同外电场时graphene/InSe异质结的投影能带图. 对graphene/InSe异质结施加负方向的外电场时, 电子由graphene转移到了InSe, InSe的导带底依然位于费米能级下方, 并相对于费米能级持续下降, n型肖特基势垒ΦBn始终小于0, 因此施加负方向的外电场时graphene与InSe的界面始终为n型欧姆接触. 当施加正方向的外电场时, InSe的导带底相对于费米能级逐渐上升, 导带底移动到了费米能级的上方, n型肖特基势垒ΦBn大于0, 并且ΦBn < ΦBp, 这就表明graphene与InSe的界面由n型欧姆接触转变为n型肖特基接触. 正方向的外电场进一步增加时, InSe的导带底和价带顶相对于费米能级持续上升, 导致ΦBn > ΦBp, 此时graphene与InSe的界面就由n型肖特基接触转变为了p型肖特基接触. 随后正方向的外电场持续增加, InSe的价带顶相对于费米能级进一步上升, p型肖特基势垒ΦBp持续减小, 最终价带顶移动到了费米能级的上方, p型肖特基势垒ΦBp减小为0并进一步减小变为负值, graphene与InSe的界面由p型肖特基接触转变为了p型欧姆接触. 由图5可以看出, 当没有施加外加电场时, 费米能级位于狄拉克点的下方, 两者之间的能量差值为0.08 eV, graphene层为p型掺杂. 而当施加负方向的外加电场时, 更多的电子由graphene层转移到了InSe层, 狄拉克点相对于费米能级上移, 在外加电场为–0.5和–1 V/nm时, 狄拉克点和费米能级间的能量差值分别为0.13和0.27 eV, 随着负方向外电场的增加, graphene层的p型掺杂增强了. 而正方向的外电场使得电子由InSe转移到了graphene, 狄拉克点移动到了费米能级的下方, graphene层由p型掺杂变为n型掺杂, 正方向的外电场越大, graphene层的n型掺杂越强.
图 5 施加不同外电场时graphene/InSe异质结的投影能带图, 图中蓝色线条表示InSe的能带, 红色线条表示graphene的能带, 费米能级设为零点
Figure5. Projected band structures of graphene/InSe heterostructures under different external electric fields. The red and blue lines represent for the energy band of graphene and InSe, respectively. The Fermi level is set to zero.

为了定量描述外电场对graphene/InSe异质结肖特基势垒的调控, 图6给出了graphene/InSe异质结的肖特基势垒随外加电场的变化关系图. 对异质结施加正方向的外加电场后, 电子由InSe向graphene转移, InSe的导带底和价带顶相对于费米能级上移, 导带底移动到费米能级上方, n型肖特基势垒ΦBn就由负值变为正值, graphene和InSe的界面就由n型欧姆接触转变为了肖特基接触, 由于ΦBn < ΦBp, 此接触为n型肖特基接触. 随着正方向外电场的增大, ΦBn持续增大, ΦBp持续减小, 当正方向的外电场达到0.8 V/nm时, ΦBn开始超过ΦBp, 此时界面的n型肖特基接触就转变为了p型肖特基接触. 当正方向的外加电场增加到2 V/nm时, 费米能级穿过InSe的价带顶, ΦBp减小为0并进一步变为负值, p型肖特基接触又转变为了p型欧姆接触. 对异质结施加负方向的外电场时, InSe的导带底和价带顶相对于费米能级下移, ΦBn始终小于0, 因此负方向的外电场不能改变界面的接触类型, graphene和InSe的界面在负电场作用下始终为n型欧姆接触.
图 6 Graphene/InSe异质结的肖特基势垒随外电场的变化
Figure6. Evolution of Schottky barriers of the graphene/InSe heterostructurer as a function of external electric field.

外电场会促进graphene和InSe之间的电荷转移, 从而改变graphene/InSe异质结的电子性质. 下面计算了施加不同外电场时graphene/InSe异质结沿z方向的平面平均差分电荷密度. 不同外电场作用下的平面平均差分电荷密度由下式求出:
$\begin{split}\Delta {\rho _E}(z) = &\int {{\rho _E}(x,y,z){\rm{d}}x{\rm{d}}y }\\&-\int {{\rho _{{\rm{graphene/InSe}}}}(x,y,z){\rm{d}}x{\rm{d}}y} ,\end{split}$
其中${\rho _E}(x, y, z)$${\rho _{{\rm{graphene/InSe}}}}(x, y, z)$分别表示施加外电场和没有外电场时graphene/InSe异质结在(x, y, z)点的电荷密度. 计算结果表明正外电场和负外电场对graphene/InSe异质结界面的电荷转移影响不同. 如图7所示, 对异质结施加正外电场时, graphene得到了电子而InSe失去了电子, 费米能级向下移动, 由最初位于InSe导带底的上方移动到了InSe价带底的下方, 界面在这个过程中实现了由n型欧姆接触到n型肖特基接触再到p型肖特基接触最终变为p型欧姆接触的转变, graphene层的n型掺杂增强. 而在负外电场作用下, 电子由graphene转移到了InSe, 费米能级向上移动, 逐渐远离InSe的导带底, 界面始终为n型欧姆接触, graphene层的n型掺杂增强. 电荷转移的数量随着外加电场的增大逐渐增加, 但与外加电场的方向无关. Graphene和InSe之间逐渐增加的电荷转移意味着二者的相互作用进一步加强, 并导致了异质结中费米能级的移动. 因此, 界面电荷转移和费米能级的移动是外电场作用下异质结的接触类型转变的根本原因.
图 7 (a) 施加正外电场时graphene/InSe异质结的平面平均差分电荷密度图; (b) 施加负外电场时graphene/InSe异质结的平面平均差分电荷密度图; 图中的竖直黑色虚线表示graphene层和InSe层的分界线
Figure7. (a) Plane-averaged charge density difference of the graphene/InSe heterostructure under positive external electric fields; (b) the plane-averaged charge density difference of the graphene/InSe heterostructure under negative external electric fields. The black vertical dashed line denotes the intermediate position of graphene and InSe.

对于典型的金属与n型半导体接触而言, 肖特基势垒ΦBn = Wmχs, 其中Wm为金属的功函数, ${\chi _{\rm{s}}}$为半导体的电子亲合能, 但此时金属和半导体均为块体材料, 而graphene和InSe均为二维材料. 块状金属和半导体接触后由于半导体中自由电荷密度的限制, 半导体中空间电荷区的厚度可达到微米量级, 接触电势差主要在半导体中, 它使半导体表面附近的能带发生弯曲. 而二维材料InSe的厚度仅为5 ?, 与块体材料空间电荷区的微米量级相比可以忽略不计, 因此graphene和InSe接触时产生的电势差全部都降落在了graphene和InSe之间, 可以认为InSe的表面和内部之间不存在电势差, InSe表面附近不存在能带弯曲, 所以${\varPhi _{{\rm{Bn}}}} = {W_{\rm{m}}} - {\chi _{\rm{s}}} = {E_{\rm{C}}} - {E_{\rm{F}}}$. 对于金属与p型半导体接触而言, 肖特基势垒${\varPhi _{{\rm{Bp}}}} \!= {I_{\rm{s}}} - {W_{\rm{m}}}$, 同理可认为InSe表面附近不存在能带弯曲, 因此${\varPhi _{{\rm{Bp}}}}= {I_{\rm{s}}} - {W_{\rm{m}}}= {E_{\rm{F}}} - {E_{\rm{V}}}$. 由上述二维异质结肖特基势垒的公式可知, 肖特基势垒的高度是与费米能级紧密相关. 对异质结施加正方向的外电场时, 电子由InSe流向graphene, 费米能级持续下降, 由ΦBnΦBp的数值可以判断出界面接触类型由n型欧姆接触依次变为n型和p型肖特基接触最终变为p型欧姆接触. 对异质结施加负方向的外加电场时, 电子由graphene流向InSe, 费米能级持续上升, ΦBn始终为负值则表明界面接触类型为n型欧姆接触.
最后要指出, 传统的PBE方法低估了带隙, 但由于Heyd-Scuseria-Ernzerhof杂化泛函巨大的计算成本, 本文研究的所有体系都使用了PBE方法. 我们的目标不是确定精确的肖特基势垒高度以及界面接触类型转变时所对应的精确电场强度, 而是为了揭示外电场对异质结肖特基势垒的调控机理. PBE方法可以正确预测肖特基势垒的变化趋势, 对未来的实验研究有一定的参考价值.
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算系统研究了电场对graphene/InSe范德瓦耳斯异质结肖特基势垒的调控. 计算结果表明异质结中的graphene 和InSe之间为微弱的范德瓦耳斯作用, 组成异质结后graphene和InSe基本保留了各自独立的电子结构, 在两者界面处为n型欧姆接触, 并导致graphene层为p型掺杂. 对异质结施加正外电场后, 欧姆接触在外电场为0.04 V/nm时转变为了n型肖特基接触, 并进一步在外电场为0.8 V/nm时转变为了p型肖特基接触, 最终在2 V/nm时又转变为了p型欧姆接触. 施加负外电场时, 异质结始终为n型欧姆接触. 因此, 外加电场可以有效地调控graphene/InSe异质结中的肖特基势垒, 不但可以调控肖特基势垒的高度, 而且可以调控界面接触类型. 外加电场可以有效调控graphene和InSe界面电荷转移的数量和方向. 上述结论为graphene/InSe范德瓦耳斯异质结在光电子和纳电子器件领域的应用提供了必要的参考.
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    摘要:五模超材料是一类可以解除剪切模量的人工固体微结构,具有类似流体的性质,在声波调控中有着潜在的应用.声学变换作为声波调控的一种重要手段,在超材料声学器件的设计中被广泛使用.声学变换的引入会压缩均匀各项同性五模超材料.因此,需要研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料带隙及品质因数的影响.本文利用有 ...
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  • 电磁超材料吸波体的研究进展
    摘要:电磁吸波技术在军用和民用领域得到了广泛应用,但传统吸波技术不能满足现代吸波材料新的需求,基于超材料的吸波体具有结构简单、轻薄、吸收率高等优点,并可以实现对电磁波的灵活调控,使得电磁吸波领域获得了飞速发展.本文针对电磁超材料吸波研究进行了综述,首先介绍了电磁超材料吸波方法与机理,指出了研究中遇到 ...
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  • 蛋白质“液-液相分离”的理论和计算方法进展
    摘要:蛋白质分子的“液-液相分离”是近几年生物物理学领域迅速发展起来的研究热点.蛋白质相分离在一系列生物学过程中发挥着重要的作用.蛋白质分子序列和构象的多样性和复杂性,给蛋白质分子的理论研究、计算机模拟和实验研究都带来了巨大的挑战.当前,多尺度理论模型和多分辨率计算方法被广泛地用于蛋白质分子的“液- ...
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